Добавки в бетон Справочное пособие

ПАТЕНТЫ

Одно из самых интенсивных направлений развития техноло­гии бетона относится к новым разработкам в области добавок. Это подтверждается получае­мыми ежегодно патентами по растворам и бетонам с добав­ками, причем положительный эффект часто достигается при введении малых количеств до­бавок. Бетон, используемый в Северной Америке, обычно со­держит, по крайней мере, одну добавку. Применение добавок широко распространено также и во многих других странах. Стремление к производству но­вых экономичных типов добавок обусловлено потребностью в сохранении природных ресурсов и окружающей среды и в рацио­нальном использовании энер­гии, а также необходимостью использовать отходы и вторич­ные продукты для производства цемента и бетона.

В 1976 г. Франклин [1] опубликовал книгу «Добавки в цемент и раствор», включа­ющую 220 технологических про­цессов, приведенных в патентах США. В этой книге помимо добавок описаны новые разра­ботки по интенсификаторам помола цемента, веществам, уменьшающим выцветание, во­доотталкивающим веществам, легким и вспученным заполни­телям, гипсовому раствору, спе­циальным веществам и т. д.

В нее в. ключены патенты, опуб­ликованные с середины 60-х го­дов до 1976 г.

В 1980 г. Гутчо [2] опубли­ковал книгу, представляющую собой обзор патентов США по широкому кругу вопросов тех­нологии цемента. В нее были включены также и патенты по добавкам за 1978—1980 гг. В разделе «Добавки к бетону и их композиции» перечислено 37 па­тентов. Значительное место в книге отведено производству цементного клинкера, железо­бетона, в том числе сборного, легких вспененных материалов, огнеупоров, гипса, а также ис­пользованию взрывоопасных отходов и специальных мате­риалов.

В данной главе приведен обзор патентов по добавкам, опубликованных в рефератив­ной литературе1 в 1976— 1981 гг. и зарегистрированных в различных странах. В каждой ссылке указаны имена авторов или названия патентодержате - лей, наименование патента, страна, где зарегистрирован патент, номер патента, дата и

' «Chemical Abstracts»— один из старейших реферативных журналов США и мира; уступает по полноте только отечественному реферативному журналу «Химия»; в вып. 19 послед­него «Силикатные материалы» из 260 рефератов по цементу и бетону, публикуемых ежемесячно, около 100 посвящено добавкам. (Примеч. науч. ред.) ссылка на том, номер реферата и год выхода химического ре­феративного журнала. Более подробные сведения имеются в упоминаемых рефератах, пол­ная же информация содержится в исходных патентах. В данной работе кратко изложены форму­лы изобретений и в некоторых случаях — их основной поло­жительный эффект. Способы получения добавок, их дозиров­ки и количественные аспекты их действия находятся за пре­делами изложения.

Классифицировать запатен­тованные добавки по катего­риям довольно сложно. В ряде случаев один материал может относиться более чем к одной категории. Разнообразие изоб­ретений и недостаток подробной информации могут скомпроме­тировать любую классифика­цию. Из названия патента в не­которых случаях не видно, что он относится к добавкам, и только по содержанию рефера­та можно заключить, что в фор­мулу входит состав добавки. Вместе с тем добавки, относя­щиеся к-одной категории, опи­сываются под различными наз­ваниями. Ускорители тверде­ния, например, имели следу­ющие наименования: «ускори­тель твердения для цементных продуктов», «быстросхваты - вающаяся цементная компози­ция», «интенсификаторы гид­ратации и схватывания бето­на», «быстротвердеющая це­ментная композиция», «добав­ка к цементу», «комплексная добавка», «бетонная смесь», от- вердитель для бетона», «улуч­шенные гидравлические це­ментные смеси», «вяжущее», «цемент», «изготовление це­мента», «агент для ускорения схватывания цемента», «бетон», «тампонажный раствор» и т. д.

Ниже добавки разделены на семь категорий (в некоторых случаях деление на категории может быть спорным [3—7]): 1) ускорители; 2) добавки, понижающие водопотребность (пластификаторы); 3) замедли­тели; 4) суперпластификаторы; 5) полимерные модификаторы цемента; 6) воздухововлекаю­щие; 7) разные, в том числе многофункциональные добавки.

Описание каждой категории этих добавок дано в хроноло­гическом порядке с 1976 по 1981 г. Эти годы соответствуют не датам подачи заявок, а вре­мени появления рефератов в «Chemical Abstracts». Ссылки по каждому типу добавок дают­ся отдельно.

В разделе «Ускорители» приведены как синтетические добавки, так и вещества, полу­ченные из отходов и вторичных продуктов. Патентная формула может включать одно вещество или смесь составляющих. Пред­ложено много видов органичес­ких и неорганических добавок, содержащих компоненты на ос­нове хлоридов, а также доба­вок, практически не содержа­щих хлоридов. В этом разделе изложены также сведения о «противоморозных добавках», предложенных советскими ис­следователями для проведения бетонных работ в холодное вре­мя года, и об ингибиторах (за­медлителях) коррозии, часто используемых вместе с добав­ками на основе хлоридов. Кро­ме того, в раздел включено несколько патентов, описы­вающих способы оценки ускори­телей в бетоне.

В разделе по добавкам, по­нижающим водопотребность, или пластификаторам, описаны материалы, умеренно снижаю­щие водопотребность и харак­теризующиеся нормальными диспергирующим и пластифи­цирующим эффектами[30]. В ре­зультате применения этих доба­вок наблюдается улучшение многих физических свойств бе­тона и раствора. Большинство снижающих водопотребность добавок представляет собой водорастворимые органические соединения. Следует отметить, что около 50 % бетона в США выпускается с такими добав­ками.

Раздел «Замедлители» охва­тывает добавки для замедления гидратации, схватывания или твердения цемента в растворе или бетоне. Основу большинст­ва добавок этой категории сос­тавляют лигносульфонаты, са­хара, оксикарбоновые кислоты и их соли и другие органи­ческие соединения.

Вещества, предназначенные для уменьшения водосодержа - ния в гораздо большей степени, чем нормальные добавки, сни­жающие водопотребность и соответственно обладающие очень высоким разжижающим или пластифицирующим дейст­вием, описаны в разделе «Су­перпластификаторы». Эти до­бавки называют также «высо­коэффективными понизителями водопотребности». Многие из патентных формул основаны на сульфированных продуктах конденсации меламина и наф­талина с формальдегидом. В ряде композиций содержатся дополнительные составляющие. Применение этих добавок в бе­тоне позволяет получить литые или высокопрочные бетоны по­вышенной долговечности.

Многие полимерные эмуль­сии добавляют в цементы, раст­воры и бетоны для улучшения удобоукладываемости, умень­шения водопоглощения, повы­шения прочности при растяже­нии, изгибе, сдвиге, сопротивле­ния удару, сцепления с арма­турой и заполнителями, а также долговечности. Такие патент­ные формулы содержатся в разделе «Полимерные моди­фикаторы цемента». Многие из них включают поливинилаце - тат, сополимер поливинилден - хлорид — ПВХ, бутадиен-сти - рольный сополимер, полиак - рильный сополимер, эпоксидные смолы и т. д.

Рациональным применением воздухововлекающих добавок при изготовлении бетона можно улучшить его морозостойкость. Основу большинства воздухо - вовлекающих веществ состав­ляют животные и растительные масла и соответствующие жир­ные кислоты, природные древес­ные смолы и смачивающие аген­ты. Патенты на эти материалы
описаны в разделе «Воздухо­вовлекающие добавки».

Патентные формулы, содер­жащие два или более компо­нента, каждый из которых мо­жет выполнять свою функцию, или однокомпонентные добавки, не относящиеся к приведенным выше категориям, приведены в разделе «Смешанные и многофункциональные добав­ки». Их основой служат орга­нические и неорганические сое­динения, а также вещества сме-' шанной природы, причем мно­гие из них являются побочны­ми продуктами промышленнос­ти. Эти добавки обладают мно­гими преимуществами при ис­пользовании в растворах или бетонах. Некоторые из них предотвращают усадку, трещи - нообразование, улучшают ста­бильность, пластичность, прока - чиваемость, повышают ско­рость роста прочности, умень­шают расслаивание, потерю осадки конуса, растрескивание, увеличивают прочность, водо­стойкость, подвижность, возду­хововлечение, снижают водо - потребность, обеспечивают гид- рофобизацию, предотвращают выцветание, способствуют рос­ту сцепления с заполнителями, повышают химическую стой­кость, морозостойкость и т. д.

В табл. 10.1 приведены дан­ные о количестве добавок раз­личных категорий, упомянутых в «Chemical Abstracts» за пос­ледние годы. Следует отметить повышенную активность изоб­ретателей в области ускорите­лей и «разных», т. е. полифунк­циональных, добавок. Вообще интерес к добавкам в послед­ние годы возрастает, при этом наблюдается повышенное вни­мание к полимерным модифи­каторам цемента и, наоборот, снижение активности в разра­ботке новых типов воздухо­вовлекающих добавок.

Сводка изобретений в облас­ти добавок по странам показы­вает, что более 30 % патентов принадлежит четырем стра­
нам — Японии, СССР, ФРГ и США (табл. 10.2). Согласно статистике, в Японии актив­ность в изобретении добавок больше, чем где-либо в мире. Советский Союз также активен в этой области, далее идут ФРГ и США. Конечно, здесь может быть допущена неболь­шая ошибка по сравнению с действительными данными, но в целом указанная тенденция очевидна.