Ускорители твердения бетона: хлорид кальция, сульфат натрия и их дозировка

Что такое ускорители твердения бетона и их назначение

Ускорители твердения бетона представляют собой химические модификаторы, регулирующие кинетику набора прочности цементного камня. Согласно ГОСТ 24211-2008, данные добавки относятся к группе веществ, регулирующих свойства бетонов и растворов, и должны обеспечивать увеличение прочности бетона в возрасте одних суток нормального твердения на 30% и более от контрольного состава, либо на 20% и более после тепловлажностной обработки.

Механизм действия ускорителей основан на повышении растворимости клинкерных минералов цемента, активизации процессов гидратации и образовании комплексных соединений, ускоряющих кристаллизацию новообразований. В результате вода в цементном тесте быстрее насыщается ионами, и процесс формирования структуры цементного камня протекает более интенсивно.

Принцип работы и механизм действия ускорителей

Физико-химические процессы ускорения гидратации

Ускорители твердения воздействуют на цементное вяжущее несколькими путями. Электролиты, представляющие собой соли неорганических кислот, диссоциируют в воде на ионы и повышают растворимость алюминатных и силикатных фаз цемента. Это приводит к более быстрому насыщению жидкой фазы и интенсификации кристаллизации гидратных новообразований.

Хлорид кальция, как один из наиболее мощных ускорителей, обеспечивает каталитическое воздействие на процесс гидратации трехкальциевого алюмината. При введении 2% хлорида кальция от массы цемента время схватывания сокращается в 2-3 раза, а прочность однодневного бетона увеличивается практически вдвое по сравнению с контрольным составом без добавок.

Влияние на структурообразование цементного камня

Ускорители изменяют морфологию кристаллов гидратных новообразований, способствуя формированию более плотной структуры цементного камня в ранние сроки твердения. Это обеспечивает значительное повышение прочности бетона на сжатие в возрасте 1-3 суток относительно составов без добавок, при этом конечная марочная прочность увеличивается на 10-20%.

Классификация и основные типы ускорителей твердения

Хлориды как ускорители схватывания и твердения

Хлорид кальция CaCl2 согласно ГОСТ 450-77 является наиболее эффективным и исторически широко применяемым ускорителем твердения. При твердении бетона в обычных условиях рекомендуемая дозировка составляет 0,5-2% от массы цемента. Введение хлорида кальция в количестве 2% от массы цемента позволяет сократить потребление цемента на 10% при неизменной прочности и уменьшить время схватывания в 3 раза.

Основным ограничением применения хлорида кальция является его коррозионная активность по отношению к стальной арматуре. При дозировках более 2% от массы цемента возрастает риск усиления усадки бетона и активизации коррозионных процессов. В связи с этим применение хлоридов запрещено в предварительно напряженных конструкциях, изделиях с проволочной ненапрягаемой арматурой диаметром 5 мм и менее, а также в конструкциях, эксплуатируемых во влажной среде.

Сульфат натрия и его особенности применения

Сульфат натрия Na2SO4 по ГОСТ 6318-77 наиболее эффективен на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах. Рекомендуемая дозировка составляет 1-1,5% от массы цемента для обеспечения оптимального ускоряющего эффекта. При тепловлажностной обработке эффективность сульфата натрия возрастает, обеспечивая прирост прочности на 20-25% в ранние сроки твердения.

Главным недостатком сульфата натрия является образование высолов на поверхности бетона при дозировке более 1,5% от массы цемента. Для конструкций с повышенными требованиями к внешнему виду расход добавки не должен превышать 1%. Сульфат натрия плохо растворяется в воде при понижен ных температурах, поэтому его раствор следует готовить и хранить низкоконцентрированным.

Нитраты и нитриты кальция

Нитрат кальция Ca(NO3)2 в дозировке 0,5-1,6% от массы цемента действует как мощный ускоритель схватывания, обеспечивая повышение прочности на ранней стадии. При температуре твердения 20°С распалубочная прочность достигается через 6-8 часов. Дозировка 1-1,5% от массы цемента обеспечивает наилучшую водонепроницаемость бетона и повышает конечную прочность на 20-30%.

Преимуществами нитрата кальция являются отсутствие высолообразования и ингибирующее действие по отношению к коррозии арматуры. Наиболее целесообразно применение нитрата кальция с низко- и среднеалюминатными цементами при твердении в нормальных тепловлажностных условиях.

Комплексные добавки на основе солей кальция

Нитрит-нитрат-хлорид кальция ННХК по ТУ 6-18-157-73 представляет собой смесь нитрита кальция, нитрата кальция и хлорида кальция в соотношении 1:1:2. Рекомендуемая дозировка составляет 2-7% от массы цемента, максимально допустимая — 12%. Комплексная добавка особенно эффективна при пропаривании: через 4 дня твердения пропаренный бетон обретает 55-65% от R28, а через 28 дней — 110-120% марочной прочности.

Дозировка ускорителей твердения и факторы выбора

Принципы определения дозировки

Дозировка ускорителей определяется комплексом факторов: минералогическим составом цемента, температурными условиями твердения, требуемыми сроками набора прочности, наличием и диаметром арматуры. Превышение рекомендуемых дозировок может привести к нежелательным побочным эффектам, включая усиление усадки, коррозию арматуры и снижение марочной прочности.

Рекомендуемые дозировки основных типов ускорителей

Для хлорида кальция в армированных конструкциях без предварительного напряжения дозировка ограничивается 2% от массы цемента, в неармированных бетонах допускается до 3%. Сульфат натрия вводят в количестве 1-3,5% от массы цемента, при этом для конструкций с декоративными требованиями расход не должен превышать 1%.

Нитрат кальция применяют в дозировке 0,5-2% от массы цемента в зависимости от требуемого эффекта: для ускорения схватывания достаточно 0,5-1%, для максимального повышения прочности и водонепроницаемости — 1,6-2%. Комплексные добавки типа ННХК используют в количестве 2-7%, не превышая максимально допустимые 12% от массы цемента.

Прирост прочности и технико-экономическая эффективность

Динамика набора прочности бетона

При использовании хлорида кальция в дозировке 2% от массы цемента прочность бетона в возрасте 1 суток при нормальных условиях твердения достигает 50-70% от марочной. Через 3 суток бетон набирает 70-85% проектной прочности, что эквивалентно 7-суточной прочности контрольного состава без добавок.

Сульфат натрия обеспечивает прирост прочности на 20-25% в ранние сроки твердения при дозировке 1-1,5%, однако к возрасту 28 суток превышение составляет 15-17%. Нитрат кальция при оптимальной дозировке 1-1,5% позволяет получить до 70% марочной прочности в первые сутки нормального твердения при температуре 20°С.

Влияние на физико-механические характеристики бетона

Ускорители твердения не только интенсифицируют набор ранней прочности, но и влияют на другие характеристики бетона. Хлорид кальция благодаря гигроскопичности повышает плотность бетона и его водонепроницаемость, поддерживая высокую внутреннюю влажность и предотвращая быстрое обезвоживание при высоких температурах окружающей среды.

Применение ускорителей позволяет сократить расход цемента на 8-12% при сохранении требуемой прочности. Это достигается за счет более полной гидратации цемента и оптимизации структуры цементного камня в ранние сроки твердения.

Ограничения применения и побочные эффекты

Коррозия стальной арматуры

Хлориды активизируют коррозионные процессы стальной арматуры, разрушая защитную пассивирующую пленку на поверхности стали. Особенно опасно применение хлоридсодержащих добавок при эксплуатации конструкций в условиях повышенной влажности более 60%. Согласно СП 28.13330.2017 и ГОСТ 31384-2017, максимально допустимое содержание хлорид-ионов в железобетоне не должно превышать установленных нормативами значений.

Для нейтрализации коррозионной активности хлоридов применяют ингибиторы коррозии на основе нитритов кальция или натрия в дозировке 2-3% от массы цемента. Комплексные добавки типа нитрит-нитрат-хлорид кальция успешно применяются в производстве широкой номенклатуры железобетонных изделий без риска активизации коррозии арматуры.

Высолообразование и усадочные деформации

Сульфаты натрия при дозировке более 1,5% от массы цемента вызывают образование высолов на поверхности бетона. Это связано с миграцией растворимых солей к испаряющей поверхности при капиллярном водоподсосе. Нитрат кальция лишен этого недостатка и не вызывает высолообразования на бетонных конструкциях.

Хлорид кальция при дозировках более 3% от массы цемента увеличивает усадку бетона, что может привести к образованию усадочных трещин. Поэтому критически важно соблюдать рекомендуемые диапазоны дозировок для каждого типа конструкций в соответствии с нормативными документами.

Область применения и практическое использование

Производство сборных железобетонных изделий

В заводском производстве ускорители позволяют увеличить оборачиваемость форм в 2,5-3 раза за счет сокращения времени достижения распалубочной прочности. При изготовлении бетонных блоков, элементов тротуарной плитки, бордюрных камней отформованные изделия набирают минимально необходимую прочность для распалубки уже через 14-20 часов при температуре окружающей среды 20°С.

Применение ускорителей в сочетании с тепловлажностной обработкой позволяет сократить время изотермической выдержки до 2 часов вместо стандартных 6-8 часов. Это обеспечивает значительную экономию энергоресурсов на тепловую обработку и повышение производительности технологических линий.

Монолитное строительство

При возведении монолитных конструкций ускорители обеспечивают сокращение сроков распалубки и ускорение темпов строительства. В теплое время года добавки позволяют сократить технологические перерывы в бетонных работах, в холодный период — обеспечить качественное твердение при температурах до минус 15-20°С в зависимости от типа и дозировки добавки.

Специальные области применения

Ускорители используются для активации лежалых цементов, потерявших активность при длительном хранении более 6 месяцев. Добавки обеспечивают более полную гидратацию цемента и позволяют получить требуемые прочностные характеристики. При производстве ячеистых бетонов ускорители интенсифицируют процессы порообразования и структурообразования пористой матрицы.

Совместимость с другими добавками для бетона

Хлорид кальция совместим с большинством химических добавок в составе комплексов для бетона. Он малочувствителен к минералогическому составу используемого цемента, поэтому при возможном переходе в процессе работы на другой цемент дозировка хлорида кальция и методология работы с ним остаются неизменными.

Нитрат кальция совместим со всеми видами добавок для бетонов при условии их раздельного введения в бетонную смесь. При совместном применении с суперпластификаторами типа С-3 существенно уменьшается водоцементное отношение и снижается требуемая дозировка ускорителя за счет уменьшения количества воды затворения.

Частые вопросы об ускорителях твердения бетона