Ускоренное твердение бетона (раствора) в зимних условиях достигается повышением его температуры путем искусственного прогрева. Можно ускорить твердение бетона и введением в бетонную смесь химических добавок — ускорителей твердения, способствующих набору бетоном прочности при отрицательных температурах наружного воздуха.


Температуру замерзания бетона или раствора, приготовленного, например, на йодном растворе некоторых солей, можно снизить до -100 °С. Однако для строительных целей важно сохранить способность бетона активно набирать прочность в зимних условиях. Соли, отвечающие данному требованию, получили в практике строительства название противоморозных добавок. Наиболее распространенными из них являются азотистокислый натрий (нитрит натрия) и углекислый калий (поташ), которые не вызывают ни коррозии арматуры и стальных закладных деталей, ни солевых пятен на поверхности затвердевшего бетона (раствора).

Хотя нитрит натрия снижает до -19,6 °С, а поташ до -36,5 °С температуру замерзания бетона, прочность последнего с указанными добавками при отрицательных температурах возрастает медленнее, чем бетона, твердеющего в летних условиях. При температурах, близких к температуре замерзания, твердение бетона практически прекращается.

Добавки, обеспечивающие твердение бетона при отрицательной температуре, должны отвечать одному из следующих требований:

- реагировать с водой, воздухом или компонентами цементного клинкера, выделяя большое количество тепла в течение двух-трех суток;
- взаимодействовать с компонентами цементного клинкера, активируя их реакцию с водой, ускоряя ее и одновременно выделяя некоторое количество тепла за счет гидратации компонентов и новых образований;
- создавать одновременно с активацией процессов гидратации, гидролиза и растворения связующие компоненты с коротким временем схватывания;
- понижать температуру замерзания воды в цементном растворе или бетонной смеси и тем самым обеспечивать нормальный или близкий к нему ход твердения при пониженной температуре.

Кроме того, добавки не должны вызывать большого снижения прочности раствора или бетона, появления солевых пятен и коррозии арматуры. При выборе добавок следует учитывать, что они не должны реагировать на колебания минералогического состава каждого вида цемента и не должны снижать прочность раствора или бетона.

Поскольку на стройках используют большое количество разнообразных добавок, была сделана классификация с разделением их на пять групп.

К первой группе относятся добавки, которые, реагируя с водой, выделяют большое количество тепла, например окись кальция (молотая негашеная известь); Порошок окиси кальция должен иметь такую же тонкость помола, как и цемент. В порошке не должно быть пережога. Пережженные частицы вступают в реакцию с водой и позднее, когда структура цементного камня уже сформировалась. При этом происходит изменение объема, нарушающее прочность цементного камня.


Во вторую группу добавок включены йодистый и азотнокислый калий, азотнокислый и азотистокислый натрий, азотнокислый литий. Они снижают температуру замерзания воды в бетоне. Ионы этих солей не вступают и какие-либо реакции с компонентами клинкера цемента, но повышают Их растворимость.

К третьей группе относятся добавки, активирующие гидратацию цементного клинкера и понижающие температуру замерзания воды в бетоне. В их числе соляная, азотная и бромистоводородная кислоты, хлористый и йодистый аммоний, хлористый и азотнокислый кальций. Химизм действия кислот заключается в активном воздействии на частицы цемента, зерна которого разрыхляются. Введение в раствор хлорида кальция способствует понижению температуры замерзания воды, а образующиеся гели кремниевой кислоты и гидроокиси алюминия обеспечивают ускорение схватывания, отчасти компенсирующее потерю скорости гидратации из-за низкой температуры. Соляная кислота может резко изменить в цементном тесте соотношение между известью и другими химическими веществами, вследствие чего понизится прочность бетона. Поскольку появляющиеся соли вступают в реакцию обмена с соединениями щелочных металлов, необходимо проверять возможность применения этой добавки для каждого вида цемента.

Активирующее действие солей третьей группы заключается в разрушении силикатных составляющих цемента и в повышении их растворимости, что ускоряет гидратацию и способствует выделению тепла. Большая концентрация электролита в цементном тесте способствует ускорению схватывания и понижает температуру замерзания.

Четвертую группу составляют хлорное железо, хлористые алюминий, магний и кобальт, сернокислый алюминий, азотнокислый кобальт и углекислый калий. Активирующее и связующее действие этих добавок основано на энергичных реакциях обмена, сопровождающихся образованием гелей гидроокисей металлов. При использовании хлористых солей и кислот образуются растворимые щелочи металлов (в том числе и кальция), появление которых снижает температуру замерзания воды. Менее эффективно воздействие солей серной кислоты.

В пятую группу входят добавки, одновременно способствующие выделению тепла при гидратации цемента; они понижают температуру замерзания воды в бетоне и растворе, ускоряют твердение бетона при отрицательной температуре. К таким добавкам относятся углекислый калий (поташ) или смесь солей углекислого калия и сернокислого алюминия. В эту же группу можно включить глауберову соль, фтористые калий и натрий, а также кремнефтористый натрий.

Углекислый калий (поташ) является сильным активатором взаимодействия цемента с водой, так как переводит кальций из минералов клинкера в нерастворимую в воде соль — углекислый кальций. Вместе с этой солью образуются растворимые алюминат калия и его гидроокись, которые способствуют разрыхлению зерен цемента.
Гидроокись калия понижает температуру замерзания воды и, являясь сильным электролитом, увеличивает ионную силу раствора, что ведет к повышению растворимости зерен цемента. Образовавшиеся гели имеют противоположные знаки зарядов: гели карбоната кальция и кремниевой кислоты — отрицательные, а гидроокиси алюминия — положительные. Карбонат калия способствует ускорению их коагуляции, то есть схватывания и твердения цементного теста при отрицательных температурах.

Введение в данную смесь углекислого калия с сернокислым алюминием приводит к образованию в цементном тесте вместе с углекислым кальцием сульфата кальция, то есть к увеличению количества материала, способного к коагуляции. Кроме того, больше становится гидроокиси алюминия, которая повышает коагулирующую активность гелей, ускоряет схватывание и твердение цементного теста.

Добавка в цементное тесто сернокислого алюминия и углекислого калия (поташа), называемая далее двухкомпонентной, обеспечивает этому тесту быстрый набор прочности в ранние сроки.