Химизация бетона

ХИМИЗАЦИЯ

БЕТОНА

Б.А. УСОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 666.97(075.8)
ББК 38.33я73
 
У76

Усов Б.А. 

Химизация бетона : учебное пособие / Б.А. Усов. — Москва : 

ИНФРА-М, 2023. — 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 порошкообраз-

ными 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 дальней-

шему 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 обра-

зовательного 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-исследователь-

ского 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 ги-
перпластифицирующими 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 меха-
нохимической 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% метал-
лонаполненный) 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 де-
формативных 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 компози-
тобразующих 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 пороудер-
живающие 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 редисперги-
рующих 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 технологи-
бетоноведы 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 ударно-
перетирающих режимов;
 
• кольматация пор путем «присадки» на их стенки органоуплотня-
ющих 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,