Химизация бетона

ХИМИЗАЦИЯ
БЕТОНА

Б.А. УСОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 666.97(075.8)
ББК 38.33я73
 
У76

Усов Б.А. 
Химизация бетона : учебное пособие / Б.А. Усов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 381 с.  — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/19107.

ISBN 978-5-16-011197-1 (print)
ISBN 978-5-16-103322-7 (online)

В пособии рассматривается сущность химизации цементов порошкообразными материалами и дисперсными наполнителями, направленной на управление процессами коагуляции и структурообразования гидратных форм цемента 
с совмещенными индифферентными дисперсными частицами, а также методы 
механохимической обработки зернистых компонентов бетонной смеси.  
Учебное пособие способствует расширению знаний студентов по дальнейшему совершенствованию свойств материалов для бетона путем их специальной подготовки, а также особенностей приготовления бетонных смесей 
с введением минеральных порошкообразных и пастообразных наполнителей, 
химических добавок различного назначения, редиспергаторов, улучшающих 
поверхностную растяжимость бетона и понижающих трещинообразование. 
Пособие помогает хорошо ориентироваться в технологических требованиях по 
замене вяжущих для защиты бетона от возможных агрессивных воздействий.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
УДК 666.97(075.8)
ББК 38.33я73

У76

А в т о р :
Усов Б.А., канд. техн. наук, доцент кафедры промышленного и гражданского 
строительства Московского государственного машиностроительного университета
Р е ц е н з е н т ы :
Волгушев А.Н., канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник Научно-исследовательского института бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева;
Окольникова Г.Э., канд. техн. наук, профессор Московского государственного 
машиностроительного университета

ISBN 978-5-16-011197-1 (print)
ISBN 978-5-16-103322-7 (online)
© Усов Б.А., 2016

СпиСок принятых Сокращений

АЦ — активность цемента
ВВД — воздухововлекающая добавка
ВМ — высокомолекулярный
ВНВ — вяжущее низкой водопотребности
В/М — соотношение вода/минерал
В/Ц — соотношение вода/цемент
ГСАК — гидросульфоалюминат кальция
ГСК — гидросиликат кальция
ЖБИ — железобетонные изделия
ЗУ— зола-уноса
КФ — конденсированный формальдегид
ЛС — лигносульфонаты
ЛСТ — лигносульфонаты технические
МД — минеральная добавка
МК — микрокремнезем
ММР — молекулярно-массовое распределение
ММС — модифицированная меламинформальдегидная смола
НГ — нормальная густота
НМФ — низкомолекулярная фракция
НФС — нафталин-формальдегидный суперпластификатор
ОК — осадка конуса
ПАВ — поверхностно-активное вещество
ПД — пековый дистиллят
ПНС — полиметиленнафталинсульфонат
РВ — редуцирующее вещество
РПА — роторно-пульсационный аппарат
СДБ — сульфитно-дрожжевая бражка
СМФ — сульфонированный меламиноформальдегидный полимер
СНВ — смола нейтрализованная воздухововлекающая
СНФ — нафталин-формальдегидный полимер
СП — суперпластификатор
СПД — синтетическая поверхностно-активная добавка
ССБ — сульфитно-спиртовая барда
СФК — сульфоферритный клинкер
ТВО — тепловлажностная обработка
ТМЦВ — тонкомолотые цементные вяжущие
ТРЖ — технический рыбий жир
ТЭА — триэтаноламин
ТЭС — теплоэлектростанция
ХК — хлорид кальция
Ц/В — соотношение цемент/вода
ШПЦ — шлакопортландцемент

предиСловие

Бакалавр по производству бетонных и железобетонных изделий 
и конструкций или технолог с глубоким специальным образованием 
по бетоноведению и в целом по строительному материаловедению, 
а также специалист с частичным образованием по организации производства монтажных работ при возведении как сборных, так и монолитных зданий и сооружений должен участвовать в создании 
новых бетонов и улучшении старых, учитывая их взаимодополняющие улучшающие свойства. 
При возведении сборных или монолитных конструкций от него 
требуется совершенствовать контроль их качества с проведением 
дальнейшей экспертной оценки долговечности в период эксплуатации. 
Поэтому он должен уметь работать в лабораториях исследовательских и научно-технических центров, строительных холдингов и предприятий и оценивать качество применяемых материалов в построечных и полевых условиях.
Необходимость расширения знаний студентов по дальнейшему 
совершенствованию свойств материалов для бетона путем их специальной подготовки, а также особенностей приготовления бетонных 
смесей с введением минеральных порошкообразных и пастообразных наполнителей, химических добавок различного назначения, 
редиспергаторов, улучшающих поверхностную растяжимость бетона 
и понижающих трещинообразование, и, наконец, необходимость 
получения студентами знаний, которые помогут им хорошо ориентироваться в технологических требованиях по замене вяжущих для 
защиты бетона от возможных агрессивных воздействий, предопределила написание настоящего учебного пособия.
Более того, появление высокомарочных бетонов с супер- или гиперпластифицирующими добавками, регулирующими сроки «жизнеспособности» бетонных смесей до укладки и обеспечивающими 
скоротечность твердения портландцементов с неоднородным гранулометрическим составом клинкерных зерен с возможной тенденцией 
неоднородного охрупчивания структуры и возникновения анизотропии показателей долговечности бетона в сооружении, требует сегодня подготовки новых бакалавров — специалистов по производству бетона и железобетонных изделий и конструкций на его 
основе.
В данном пособии рассматривается сущность «химизации» цементов порошкообразными материалами и дисперсными наполнителями, направленной на управление процессами коагуляции 

и структурообразования гидратных форм цемента с совмещенными 
индифферентными дисперсными частицами, а также методы механохимической обработки зернистых компонентов бетонной смеси.
Учебное пособие определяет базовую подготовку студентов строителей-технологов по основам технологий модифицирования бетонов, включая процессы равновесия и поверхностные явления на 
границе раздела фаз, механо- и топохимические реакции, ускорение 
гидратации цементного теста, твердения и анизотропию показателей 
прочности бетона.
Содержание учебного пособия соответствует учебной программе 
по дисциплине «Химизация бетона добавками», дополняющей, 
в свою очередь, преподавание основополагающих дисциплин: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Проектирование предприятий по производству строительных материалов 
и изделий», а также «Технология вяжущих материалов» современными общеевропейскими приемами в части повышения качества 
и выбора материалов для получения бетонов с улучшенными показателями вообще.
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать
 
• научные принципы химизации бетонов для улучшения их 
свойств, необходимых для строительных изделий и конструкций 
из бетона;
 
• основные свойства минеральных и химических добавок и прогнозирование эффективности их действия при введении в бетоны;
 
• поведение строительных изделий и конструкций из химизированного бетона под влиянием различных воздействий, в том числе 
и агрессивных;
 
• рациональные области применения строительных изделий и конструкций из бетона нового поколения;
уметь
 
• самостоятельно решать вопросы химизации бетона при изготовлении строительных изделий и конструкций, производить расчеты и осуществлять эксперименты;
 
• делать выводы по проведенной работе;
 
• пользоваться нормативно-технической справочной литературой;
владеть
 
• навыками и опытом самостоятельного решения вопросов химизации бетонов в железобетонных конструкциях;
 
• методами проектирования составов разных видов бетона различными методами, в том числе с применением математического 
моделирования и ЭВМ;
 
• способами демонстрации умения и готовности обобщать результаты опытов, а также теоретически их обосновывать.

введение

Россия много лет занимается ускорением и совершенствованием 
индустриализации процессов в строительной отрасли, поэтому является чрезвычайно привлекательным цивилизованным рынком как 
для экспорта, так и для импорта новейших зарубежных технологий.
Интенсивное развитие строительной индустрии способствует увеличению объемов производства и успешному получению новых технических показателей качества, в том числе в архитектурной выразительности железобетонных изделий и, главное, требует основательной реконструкции и модернизации заводов ЖБИ и целого ряда 
усовершенствований по технологиям возведения монолитных 
и сборно-монолитных сооружений.
Железобетон — комплексный (на 98% каменный и до 2% металлонаполненный) строительный материал, работающий как монолитное единое тело при условии воздействия определенного диапазона нагрузок, температур, взаимного сцепления бетона и стальной 
арматуры.
В первом приближении затвердевший бетон предназначен в основном для восприятия сжимающих усилий, а стальная арматура — 
преимущественно растягивающих. Поэтому от внешнего воздействия железобетон воспринимает растягивающие усилия вплоть до 
полного использования несущей способности сжатой зоны (изгибаемых, внецентренно сжатых или растянутых) строительных элементов.
Однако, обладая анизотропной зависимостью механических и деформативных свойств от направленности действия внешних нагрузок, железобетон еще связан с влиянием особенностей армирования и с нелинейностью деформаций самого строительного элемента, проявляющихся в виде трещин, обусловленных, по 
обьяснению А.А. Гвоздева, изменением механизма перераспределения действия внутренних сил от непрерывно проявляемых пластических явлений цементного камня в бетоне (из-за непрерывного 
процесса твердения), усугубляемых часто некачественным изготовлением «гофры» периодического профиля арматуры (например, при 
штамповании переохлажденного проката) или при неравномерной 
вытяжке стальной проволоки, а под нагрузкой (на пределе запасов 
прочности) — еще и текучестью самой стали.
Вопросы управления многими процессами: ускорением химических реакций, пластификацией и другими явлениями в гетерогенных смесях (бетонах, растворах и др.) — даже сегодня еще полностью не ясны.

Обстоятельные физико-химические исследования гетерогенных 
систем на основе неорганических вяжущих обьясняют происходящие 
начальные процессы поверхностными явлениями и различными механизмами взаимодействия отдельных составляющих смесей. Однако 
на практике технологи многие «препятствия» снимают, как правило, 
с помощью эмпирических правил. Например, при определении оптимального количества различных добавок в бетоны их технически 
оправданные оптимальные дозировки уточняются на «ощупь» (по 
прочности, воздухововлечению и т.д.), т.е. по набору инструкций, 
а наблюдаемые явления все же остаются непредсказуемыми и объясняются постфактум. Такой «прикладной» подход принято называть 
феноменологическим.

Глава 1
химизация цементных бетонов

Повышение активности компонентов в технологиях сборного, 
монолитного бетона и железобетона вместе с созданием химически 
стойкой защиты затвердевшего бетона от воздействия агрессивных 
сред путем применения дополнительного химического сырья 
и новых видов внешних физических воздействий составляет сегодня 
новое мощное «отраслевое» направление — химизацию бетона [31].
По своей сути химизация бетона — это последовательное объединение технологических достижений традиционной строительной 
отрасли и результатов новых инженерных исследований композитобразующих процессов микро- и макроструктуры бетона.
Из вовлекаемых в бетоноведение элементов химической технологии важнейшим стал процесс легирования строительных смесей 
новыми веществами или добавками, изменяющими условия равновесия и кинетики фазовых превращений или поверхностные свойства 
компонентов бетона. Введением добавок различного назначения удается оптимизировать реологические, водопонижающие или пороудерживающие свойства смесей и ускорить кинетику нарастания прочности, повысить плотность и коррозионную стойкость бетона.
В итоге химизация означает повышение качества и эффективности, а точнее — унификацию областей применения существующих 
бетонов путем использования в их составах предварительно улучшенных или активированных исходных компонентов и редиспергирующих композитообразующих материалов, а в технологиях приготовления бетона к тому же — применения нового порядка введения 
компонентов, привлечения прогрессивных физических или нанотехнологических процессов с целью интенсификации производства 
железобетонных сборных и монолитных конструкций.
Технологическими приоритетами нового направления стали:
 
• химизация компонентов бетона;
 
• химизация бетонной смеси и ее редиспергирование;
 
• защита стальной арматуры от коррозии;
 
• эффективная защита бетона и железобетона в сложных условиях 
эксплуатации;
 
• применение долговечных (химически стойких) композиций при 
ремонте и восстановлении конструкций.

1.1. оСновы химизации ГетероГенных СиСтем

Исследование процессов твердения цементных систем технологибетоноведы осуществляют с двух сторон: изучают поведение 

(свойства) жидкости в пограничных слоях, а затем — вид химических 
связей в механизме последующего новообразования новых фаз 
с учетом электрокинетических явлений. Объясняется это изменением межмолекулярных сил воды от воздействия температуры, растворенных лиофильно-лиофобных веществ, присутствия химически 
активных и, наоборот, нейтральных порошкообразных, зерновых, 
кусковых и других элементов и даже газовой среды. Однако строительные смеси — сложные гетерогенные системы на основе воды 
с поверхностно-активными пластификаторами, неорганическими 
солями, активными в физико-химическом отношении тонкодисперсными наполнителями, а также с армирующим «скелетом» в виде 
системы заполнителей и даже всевозможной фибры, требуют рассмотрения технической роли каждого компонента в отдельности.
В определении бетона как многокомпонентного строительного 
материала, получаемого из предварительно перемешанной и уплотненной бетонной смеси вяжущих заполнителей [4], затворителей 
и различных минеральных и химических добавок в заданном количестве с изменяющимися со временем в результате физико-химических процессов твердения капиллярно-пористой структурой 
и свойствами, важно прежде всего обратить внимание на изменяющиеся во временем структуру и свойства.
Изменения структуры, возникающие от внутренних процессов 
взаимодействия составляющих и воздействия окружающей среды, 
поддерживаемые в течение длительного времени, характеризуют 
бетон в определенном смысле как «живой камень» [30]. Этот аспект, 
да еще с тенденциями повышения требований к непроницаемости 
или понижению плотности структуры бетона, позволяет предопределить возможность его разнообразной химизации по многим направлениям и, по меньшей мере, в следующей последовательности:
 
• получение цементов с наполнителями или добавками неорганических и органических веществ, облегчающими помол и регулирующими в требуемом направлении процессы гидратации, твердения, а также основные свойства цемента;
 
• механохимическая обработка заполнителей, например, на отдельной технологической линии в условиях карьера для качественного улучшения свойств: упрочнение поверхности заполнителей полимерными соединениями или механическая обработка в обычных смесителях путем предварительного «сухого» 
перемешивания крупного заполнителя для «обдира» его поверхности и тем самым улучшения ее сцепления с цементным 
камнем или, наоборот, интенсивное механическое перемешивание в активаторах растворной части (цемент + песок) с последующим добавлением в обычный смеситель с крупным заполнителем для повышения ранней прочности и, наконец, для 

этого же, но с повышенным коффициентом использования 
ранней прочности — кратковременное активирование цементной суспензии посредством гидродинамических или ударноперетирающих режимов;
 
• кольматация пор путем «присадки» на их стенки органоуплотняющих соединений из водных эмульсий нафтенов, кубовых остатков жирных кислот при перемешивании смеси или дополнительная гидрофобизация поверхности пор цементного камня 
пропиткой водорастворимым полимером с упрочняющим эффектом околоповерхностной структуры;
 
• получение новых видов искусственных заполнителей для легких 
и сверхлегких бетонов (стиропора, гранулированных пенопластов, комплексных органоминеральных заполнителей) и совершенствование технологии их применения.

1.2. оСобенноСти Строения жидкоСти

Структура воды. В строительных смесях на основе минеральных 
вяжущих и камнеобразных заполнителей наиболее активными компонентами являются жидкости (вода + неорганические и органические добавки) — системы с внутренними процессами, изменяющимися от воздействий внешней среды и требующие своего отдельного рассмотрения [18].
Молекула воды — диполь с положительным и отрицательным зарядами на полюсах (рис. 1.1), с электронным облаком, имеющим 
тенденцию притяжения к кислородному ядру из-за большей массы 
и заряда, чем у водорода, что и объясняет причину неоднородной 
плотности электронов около ядра водорода. Поэтому с одной стороны молекулы имеется недостаток плотности электронов (у ядра 
водорода), а с другой (у атома кислорода) — избыток. Именно таким 
видом структуры определяется полярность молекулы воды.
Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных 
и отрицательных зарядов, получится объемная геометрическая фигура — правильный тетраэдр.
Благодаря водородным связям каждая молекула воды вступает 
в связь с четырьмя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако в жидком состоянии вода — 
неупорядоченная жидкость, и ее водородные связи — спонтанные, 
живущие кратковременно, быстро рвущиеся и образующиеся 
вновь — являются главной причиной возникновения неоднородной 
структуры воды.
Важнейшее свойство пресной воды — ее плотность, достигающая 
максимального значения при 4°C. При снижении температуры до 
0°C плотность воды уменьшается, ее холодный слой всплывает и,