Бетоны с эффективными добавками

А. Г. Зоткин 
БЕТОНЫ 
С ЭФФЕКТИВНЫМИ  
ДОБАВКАМИ 
Практическое пособие 
2-е издание












Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 666.9 
ББК 38.626.1 
З-88 
Зоткин, А. Г.  
З-88 
 
Бетоны с эффективными добавками : практическое пособие / А. Г. Зоткин – 2-е изд. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. – 160 с. 
ISBN 978-5-9729-0688-8 
Рассматривается применение суперпластификаторов, минеральных и воздухововлекающих добавок в бетонах, даны принципы их 
использования, показаны свойства бетонных смесей и бетонов с этими добавками. Выделена рациональная область применения суперпластификаторов и минеральных добавок. Рассматриваются характеристики этих групп добавок и механизмы их действия, эффекты в бетонах разных составов, совместимость добавок с цементами. Предлагаются методики определения оптимальных расходов добавок и 
назначения составов бетонов.  
Для инженерно-технических специалистов, занимающихся производством бетона и конструкций из него, а также научных работников. Может быть полезно студентам и аспирантам строительных 
направлений подготовки. 
УДК 666.9 
ББК 38.626.1 
ISBN 978-5-9729-0688-8 
© Зоткин А. Г., 2021 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

ʑ˅ˈˇˈːˋˈ 
Современный бетон как повышенной, так и обычной прочности отличается от 
бетона прошлого века почти обязательным применением добавок. Именно они, а не 
расход цемента, как это было раньше, обеспечивают в значительной части случаев 
требуемые свойства бетона. Более того, некоторые группы добавок позволяют получать бетоны со значительно более высокими свойствами, недостижимыми в бездобавочных бетонах. 
Сегодня для бетона используется большое количество добавок. Они классифицируются по основному эффекту или по свойствам бетона, которые они повышают.  
Но если разделить добавки по универсальности (возможности влиять на различные свойства бетона) и/или по эффективности, то первые три места займут: суперпластификаторы, минеральные добавки и воздухововлекающие добавки. При 
этом суперпластификаторы эффективны в бетонах с высокими расходами цемента, 
а минеральные добавки – при его низких расходах. Воздухововлекающие добавки 
могут применяться в бетонах всех составов. Использование одной из этих добавок, 
а иногда и их комбинации, является главным отличием современных бетонов от 
обычного (классического) бетона. 
Можно выделить еще одну группу добавок, улучшающих свойства бетона 
(гидрофобизирующие, стабилизирующие или снижающие проницаемость). Но эти 
добавки характеризуются более «узким» спектром эффектов и применяются в существенно меньших объемах. Наконец, третья группа добавок позволяет решать 
«тактические» задачи (ускорители и замедлители твердения, противоморозные добавки), не улучшая конечных свойств бетона. 
Суперпластификаторы являются добавками широкого спектра действия. Они 
наиболее эффективны при высоких расходах цемента. Два главных эффекта, достигаемых при их применении: это получение качественных высокоподвижных или 
литых смесей или бетонов с высокими техническими свойствами. Это и прочность, 
значительно превышающая марку цемента, и высокие плотность и долговечность. 
Минеральные добавки, напротив, эффективны при низких и в меньшей 
степени при средних расходах цемента. Они улучшают комплекс свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона, можно сказать, позволяют получать бетон более высокого качества при пониженных расходах цемента. 
Граничным, разделяющим области применения суперпластификаторов и минеральных добавок можно ориентировочно считать расход цемента порядка 300350 кг/м3. Обычная практика получения бетонов различной прочности на цементе 
одной марки (класса), реализуемая при их производстве, приводит к весьма различному содержанию цемента, от 200 до 500 кг/м3 бетона. И если средние расходы 
цемента близки к оптимальным, то бетоны как с низкими, так и с высокими его 
расходами обладают определенными недостатками.  
При низком содержании цемента в бетонной смеси имеет место дефицит дисперсных частиц. Она подвержена расслоению, в результате чего, кроме обычной 
микропористости, в бетоне появляются более крупные седиментационные поры. 
Кроме того, плотность и прочность в верхнем слое бетона понижается. Введение в 
3 

такую смесь минеральных добавок позволяет устранить их расслоение, улучшить 
удобообрабатываемость бетонной смеси и существенно повысить качество бетонов. 
При высоком содержании цемента (более 400 кг/м3) растет водопотребность 
бетонной смеси, что вынуждает для сохранения В/Ц дополнительно увеличивать 
расход цемента. Это приводит к значительному повышению в таких бетонах объема 
цементного камня. Особенно существенно возрастает он в двух случаях: при получении высокоподвижных и литых смесей, что требует их очень высокого водосодержания, и при попытках получить бетон с прочностью, превышающей марку цемента (приходится назначать его расходы, превышающие 500 кг/м3). Эффективность использования цементов при этом снижается, а качество бетона ухудшается. 
Их твердение сопровождается значительным тепловыделением и возможным образованием термических трещин. При высыхании такие бетоны имеют высокую усадку и повышенную вероятность возникновения усадочных трещин. 
Введение в бетоны с большим содержанием цемента суперпластификаторов 
позволяет либо существенно сократить расход воды, либо пластифицировать смесь 
без увеличения ее количества. Расходы цемента и объем цементного камня при 
этом остаются в разумных пределах.  
Таким образом, применение минеральных добавок или суперпластификаторов 
позволяет получить качественные бетоны независимо от расхода цемента в них. 
Но бетоны с суперпластификаторами или минеральными добавками могут 
иметь и некоторые недостатки. Самый существенный из них – пониженная морозостойкость. Этот недостаток присущ и обычным бетонам.  
Радикально повысить морозостойкость бетона можно введением воздухововлекающих добавок. Без них бетон сегодня вряд ли успешно применялся бы в дорогах и мостах, нефтяных платформах и других специальных сооружениях, подвергающихся действию мороза. Введение воздухововлекающих добавок в бетоны с 
суперпластификаторами или минеральными добавками обеспечивает им высокую 
морозостойкость. Таким образом, воздухововлекающие добавки позволяют существенно расширить область успешного применения суперпластификаторов и минеральных добавок.  
Но и в обычных бетонах, эксплуатируемых в наружных условиях, применение 
воздухововлекающих добавок является обычно необходимым для обеспечения их 
долговечности. 
Добавкам в бетон посвящено как огромное количество статей, так и ряд монографий. В предлагаемом издании акцент сделан не на описание многочисленных 
разновидностей добавок, а на их эффекты в бетонах, принципы применения, свойства бетонов с добавками. Рассматривается совместимость добавок с цементами, 
причем не только реологическая, но и прочностная. Большое внимание уделено 
назначению их оптимальных дозировок и определению составов бетонов с добавками. 
Рассмотрение этих вопросов предваряется сжатым изложением основ бетоноведения: основных закономерностей и свойств классического (бездобавочного) 
бетона. Дальнейшее рассмотрение свойств бетонов с добавками также базируется 
на использовании этих закономерностей. 
4 

Подготовленный читатель может пропустить этот вводный раздел (классический бетон), тем более что в дальнейшем делаются необходимые ссылки на его 
материалы. 
В предлагаемом пособии можно выделить два аспекта: основной - ориентированное на практических работников рассмотрение основных вопросов технологии 
бетона с добавками, а также обсуждение ряда научных вопросов, включающее как 
изложение результатов доступных исследований, так и по возможности их анализ.  
Поэтому издание может представлять интерес в первую очередь для инженерно-технических работников, занимающихся производством бетона и конструкций из него, а часть материала – и для научных работников. Оно может быть полезным для студентов и аспирантов строительного направления. 
5 

1. КЛАССИЧЕСКИЙ БЕТОН
Тяжелый (обычный) бетон – двухкомпонентный материал, состоящий из 
плотных заполнителей и пористого цементного камня. История бетона насчитывает несколько тысяч лет, и в отличие от современного бетона с добавками его можно 
назвать классическим. 
Бетон получают в результате затвердевания бетонной смеси, состоящей из заполнителей, цемента и воды. Последние два компонента образуют цементное тесто, 
которое придает бетонной смеси пластические свойства, а также обеспечивает ее 
твердение, трансформируясь в цементный камень. Объем цементного камня в бетоне составляет обычно 250 – 350 л/м3, объем заполнителей – соответственно 750 –
650 л/м3.  
Количество воды назначается из условия подвижности бетонной смеси. Оно 
составляет обычно 40 – 70% от массы цемента и является значительно большим, 
чем требуется для химических реакций с цементом (примерно 15%). Избыточная 
вода остается в свободном состоянии и образует в цементном камне значительное 
количество пор. 
Компоненты затвердевшего бетона неравноценны. Слабейшим из них является пористый цементный камень, который и определяет свойства бетона. Заполнители также оказывают на них определенное влияние, но при достаточном качестве 
(соответствии стандартам) их роль гораздо менее значительна, чем цементного 
камня. Так, при прочности обычных заполнителей 80 – 120 МПа и более (кварцевый песок – порядка 1000 МПа) прочность обычных бетонов составляет 20 – 50 
МПа. Она определяется прочностью цементного камня.  
1.1. Материалы для бетона 
1.1.1. Портландцемент 
Портландцемент является основным видом вяжущего, применяемым для бетона. Его получают обжигом смеси глины и известняка, в результате чего образуются искусственные минералы, слагающие продукт обжига – клинкер. Для получения портландцемента его размалывают с добавлением гипсового камня, а часто и 
активных минеральных добавок.  
Портландцемент состоит в основном из клинкерных минералов. Это: 
- трехкальциевый силикат (алит) 3CaO·SiO2 (C3S);
- двухкальциевый силикат (белит) 2CaO·SiO2 (C2S);
- трехкальциевый алюминат (алюминат) 3CaO·Al2O3 (C3A);
- четырехкальциевый алюмоферрит (алюмоферрит) 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF).
В скобках приведены сокращенные названия и обозначения минералов.
Основным является алит (содержание до 60 – 65%), остальные минералы содержатся в значительно меньших количествах. Содержание силикатов составляет в 
среднем примерно 75%, поэтому были предложения называть портландцемент силикатным цементом. 
Зерна цемента имеют размеры от 1 до 100 мкм, преимущественно 5 – 40 мкм. 
Его тонкость помола принято характеризовать удельной поверхностью зерен. Она 
6 

колеблется от примерно 3000 см2/г для обычных цементов до 4000 – 4500 см2/г для 
тонкомолотых цементов с высокой прочностью. На всей этой поверхности, достигающей почти 0,5 м2/г цемента, при твердении происходят реакции между минералами цемента и водой.  
В нашей стране действуют два стандарта на портландцемент: старый, предусматривающий деление цемента на марки [9], и новый, использующий классы цемента [14]. Производители цемента сами определяют, по какому стандарту выпускать его. Сегодня большинство из них производят портландцемент по ГОСТ 31108. 
В отличие от марки цемента, определяемой в цементно-песчаном растворе состава 1 : 3 при В/Ц = 0,4 на однофракционном песке, класс цемента определяется на 
растворе того же состава, но при В/Ц = 0,5 и при использовании полифракционного 
песка. Образцы – балочки 4х4х16 мм твердеют после распалубки в воде при 200С и 
испытываются в 28-дневном возрасте. Получаемая при этом прочность носит 
название активности цемента, по ней устанавливается марка или класс. Стандарты 
предусматривают марки портландцемента 400, 500, 550 и 600 (численные значения 
соответствуют гарантированной прочности в кгс/см2) и классы 32,5; 42,5 и 52,5 
(прочность – в МПа). 
В связи с различными методиками испытаний установить однозначную связь 
между этими показателями не представляется возможным. Ориентировочно можно 
считать, что класс 32,5 примерно соответствует марке 400, 42,5 – марке 500 и 52,5 – 
марке 600. 
ГОСТ 31108 нормирует также прочность цемента в 2-дневном возрасте, причем на достаточно высоком уровне. По ее величине цементы делятся на нормальнотвердеющие (Н) и быстротвердеющие (Б). Так, ЦЕМ 42,5Н должен иметь 2- 
дневную прочность • 10 МПа, ЦЕМ 42,5Б • 20 МПа, ЦЕМ 52,5 Б • 30 МПа.  
По вещественному составу цементы подразделяются на клинкерные и с минеральными добавками, соответственно называемые портландцемент и портландцемент с активной минеральной добавкой (при ее содержании до 20%). При большем содержании минеральной добавки получают пуццолановый портландцемент, а 
доменного гранулированного шлака – шлакопортландцемент. 
По ГОСТ 31108 классификация цементов по вещественному составу более 
детализирована. Выделено пять групп цементов: 
ЦЕМ I – портландцемент; 
ЦЕМ II – портландцемент с минеральными добавками (пуццолана, золауноса, микрокремнезем, шлак и др. – до 20%). Обозначение: группа А (например, 
ЦЕМ II/А-З: с золой уноса; ЦЕМ II/А-Ш: со шлаком). Предусмотрена и добавка 
шлака 21 – 35% (ЦЕМ II/В-Ш); 
ЦЕМ III – шлакопортландцемент (36 – 65% шлака); 
ЦЕМ IV – пуццолановый портландцемент (21 – 35% минеральной добавки); 
ЦЕМ V – композиционный цемент (включает две добавки: шлак + зола-унос; 
каждой до 30%). 
Стандартными свойствами цемента являются также нормальная густота цементного теста (количество воды, необходимое для получения теста определенной пластичности), сроки схватывания (начало схватывания цемента определяет 
время жизни бетонной смеси), а также равномерность изменения объема цемента 
при твердении.  
7 

1.1.2. Заполнители 
Заполнители делятся на крупный - гравий или щебень с размерами 5 – 70 (80) 
мм и мелкий – песок с размерами зерен 0,16 – 5 мм.  
Основные свойства заполнителей, нормированные стандартом [13]: прочность, крупность и зерновой состав, допустимое содержание примесей.  
Прочность заполнителей должна в 1,5 – 2 раза превышать прочность бетона. Так как цементный камень является самым дорогим компонентом бетона, его 
прочность нужно использовать полностью (бетон должен разрушаться по цементному камню), что и достигается при повышенной прочности заполнителей. Кроме 
того, заполнители высокой прочности оказывают упрочняющее действие на цементный камень, что дает повышение прочности бетона до 20%. 
Требования к зерновому составу и крупности заполнителей определяются 
стремлением иметь минимальный расход цемента в бетоне. Поэтому пустотность 
заполнителей, заполняемая цементным тестом, и их поверхность, смазываемая им, 
должны быть минимальными. Следует отметить. что эти требования противоречат 
одно другому: если все зерна будут крупными (что дает минимальную поверхность 
заполнителей), между ними будет много пустот, а при заполнении их все более 
мелкими зернами увеличивается поверхность заполнителей. Поэтому приходится 
принимать компромиссное решение: заполнители должны быть по возможности 
крупными, но при этом содержать и достаточное количество зерен более мелких 
размеров для заполнения пустот. 
Крупный заполнитель характеризуется наибольшей крупностью (НК). Она 
может составлять 10, 20, 40 и 70 (80) мм и выбирается в зависимости от размеров 
конструкции. Для получения минимальной пустотности предусмотрено применение 
фракционированного заполнителя, в виде фракций 5 – 10, 10 - 20, 20 – 40, 40 – 
70 мм. При выбранной НК заполнителя фракции нужных размеров смешиваются в оптимальном соотношении, указанном в стандарте [13]. 
Крупность песка характеризуется модулем крупности (Мк). Так как предельные размеры песка фиксированы (0,16 – 5 мм), модуль крупности рассчитывается 
по содержанию зерен разных размеров. Чем крупнее фракция песка, тем с большим 
коэффициентом она учитывается при расчете Мк. Поэтому чем он больше, тем выше содержание в песке зерен крупных размеров. 
 По стандарту Мк песка должен быть в пределах от 2 до 3,25 (учитывая имеющуюся сырьевую базу, допускается применение песков с Мк = 1,5-2). При большей крупности песка возрастает его пустотность, при меньшей – существенно увеличивается удельная поверхность. В обоих случаях увеличивается расход цемента в 
бетоне. 
Примеси. В заполнителях могут присутствовать различные вредные примеси. 
Это пылеватые и глинистые, органические примеси, различные химические соединения: аморфный кремнезем, сернистые и сернокислые соединения, ионы хлора и 
др. Пылеватые и глинистые примеси повышают водопотребность бетонной смеси, 
органические могут замедлять твердение цемента, другие примеси могут вызывать 
коррозию бетона и арматуры в нем. Поэтому их допустимое содержание нормируется стандартом [13]. 
8 

Применение заполнителей повышенного качества: прочных, чистых (промытых), имеющих оптимальный зерновой состав (фракционированных) позволяет не 
только снизить расход цемента в бетоне, но и существенно повысить его качество. 
1.2. Бетонная смесь 
Бетонная смесь образуется при смешивании цемента, воды, песка и крупного 
заполнителя. Это промежуточное (технологическое) состояние бетона со «временем 
жизни» не более 1 – 2 ч, но состав и свойства бетонной смеси в основном определяют качество получаемого бетона (дополнительное влияние оказывают условия 
твердения).  
 
Бетонная смесь является сложной трехфазной системой, включающей 
твердые частицы (заполнители и цемент), жидкую фазу: воду и растворенные в ней 
вещества, а также некоторое количество воздуха. Он «защемляется» в пустотах 
твердых частиц в процессе образования смеси, а также дополнительно вовлекается 
при перемешивании. 
Вода в бетонной смеси находится в основном в свободном состоянии, но некоторая часть ее адсорбируется на поверхностях цемента, заполнителей и возникающих при реакциях цемента с водой продуктах его гидратации. 
Адсорбцией называется повышение концентрации вещества на поверхности 
раздела фаз по сравнению с его содержанием в объеме. Для бетонной смеси 
наибольшее значение имеет адсорбция воды на поверхности твердых частиц. Она 
объясняется тем, что на поверхностях твердых тел действуют силы межмолекулярного притяжения. Расстояние их действия очень мало – распространяется на несколько слоев молекул, – но величина весьма значительна. Поэтому твердые поверхности притягивают к себе различные молекулы, а также сверхмелкие частицы, 
например, высокодисперсную пыль.  
Если твердая частица находится в воде, концентрация молекул воды на ее поверхности повышается. Хотя вода практически несжимаема, действующие силы 
настолько велики, что ее молекулы притягиваются к поверхности твердых частиц и 
«упаковываются» более плотно. 
Особенно сильно уплотненными являются первые два – три слоя молекул воды. Они переходят в остеклованное («псевдотвердое») состояние. Плотность воды в 
этих слоях возрастает до полутора раз. Она приобретает упругость и некоторую 
прочность, температура ее замерзания становится ниже -700 С. Последующие слои 
воды по мере удаления от твердой поверхности изменяют свои свойства все в 
меньшей степени. Общее количество таких «рыхлосвязанных» слоев воды достигает 30 – 40.  
 «Оболочки» из адсорбированной воды вокруг твердых частиц контактируют 
между собой, создавая пространственную структуру. Благодаря ей, бетонная смесь 
приобретает внутреннюю связность, а твердые частицы разных размеров удерживаются равномерно распределенными в ней. 
Роль частиц в создании связности бетонной смеси возрастает при уменьшении их размеров, т.к. мелкие частицы имеют большую поверхность и адсорбируют 
повышенное количество воды. Решающее значение имеют зерна цемента и особенно продукты их гидратации, адсорбирующие наибольшее количество воды, опреде9 

ленное влияние оказывают мелкие фракции песка. В то же время рост водосодержания разобщает частицы и уменьшает степень связности бетонной смеси. Это 
может приводить к оседанию твердых частиц под действием сил тяжести и перемещению воды в верхние слои бетонной смеси (т.е. расслоению). 
С момента образования бетонной смеси начинаются реакции минералов цемента с водой. Вода связывается химически, но еще большее ее количество адсорбируется на непрерывно образующихся микрочастичках – продуктах гидратации 
цемента. Это и приводит к постепенному загустеванию смеси. В то же время до 
момента формования бетонная смесь должна обладать необходимой удобоукладываемостью. 
В итоге основными свойствами бетонной смеси являются: 
- удобоукладываемость;
- нерасслаиваемость;
- сохраняемость удобоукладываемости.
1.2.1.  Удобоукладываемость бетонной смеси 
Удобоукладываемость является важнейшей характеристикой бетонной смеси. 
Ее можно определить как способность смеси под действием силы тяжести (собственной массы) или внешних воздействий (например, вибрации) растекаться и 
принимать заданную форму. Одновременно бетонная смесь должна уплотняться, 
выделяя часть содержавшегося в ней воздуха, и при этом сохранять однородность: 
равномерное распределение компонентов в объеме смеси. 
По удобоукладываемости бетонные смеси делятся на подвижные и жесткие. 
Определение вида смеси и ее подвижности производится при помощи стандартного 
конуса [11]. Он заполняется бетонной смесью (с уплотнением), а затем снимается. 
Если смесь при этом сохраняет форму, она является жесткой, а если деформируется 
(оседает), то подвижной (рис. 1.1). 
Рис 1.1. Определение вида и подвижности бетонной смеси  
при помощи стандартного конуса [3] 
Жесткие бетонные смеси содержат меньше воды и соответственно цемента. 
Но для них требуется высокая интенсивность уплотнения (виброплощадки, вибропрессование и т.д.). Сегодня в большинстве случаев применяются более легкоукладываемые подвижные смеси. 
10