Добавки для торкретирования бетона
Добавки, используемые в торкрет-бетоне, обычно подразделяются на четыре категории: ускорители, воздухововлекающие агенты, замедлители и мелкоизмельченные инертные или активные гидравлические добавки. Однако, поскольку добавки трех последних категорий используются в тех же самых целях, что и в обычном бетоне, мы не будем рассматривать их применение в торкрет-бетоне. В этом разделе описываются добавки, являющиеся сильными ускорителями процессов гидратации цемента.
К добавкам, которые используются либо в мокром, либо в сухом торкрет-процессе, предъявляются следующие требования:
быстрое схватывание: начало и конец схватывания происходят соответственно в течение 3 и 12 мин;
повышенная способность к образованию максимальной толщины слоя благодаря сопротивлению разжижению;
уменьшение потерь вещества при восстановлении после деформации;
увеличение скорости развития прочности до 3,5—7,0 МПа;
достижение полной прочности (28 сут), которая составляет не менее 30% прочности смеси, не подвергавшейся ускорению.
Виды ускорителей. Обычно используются сильные щелочи, СаСЬ и органические вещества; патентованные вещества, как правило, содержат эти ингредиенты в различных пропорциях и продаются как в жидком, так и в порошкообразном виде. В некоторых добавках в качестве единственного активного компонента может выступать только одно вещество (алюминат натрия). Как правило, основной ускоряющий компонент используется совместно с одной или несколькими другими добавками для получения нужных модификаций многокомпонентных добавок. К таким добавкам относятся увлажняющие агенты, добавки-сгустители и стабилизирующие агенты для жидкостей.
Несмотря на то что СаСЬ применяется в определенных условиях, его доза не должна превышать 2 %, за исключением тех случаев, когда требуется быстрое схватывание, чтобы стабилизировать наносимый слой цемента.
В условиях, благоприятных для развития коррозии, использование этого вещества в торкрет-бетоне существенно ограничено. Широкое применение получили щелочи и другие химические вещества с сильно-основными свойствами.
Щелочной характер активного ингредиента делает добавку чрезвычайно едкой, что требует осторожности в обращении с ним. В настоящее время производятся и продаются вещества с незначительной щелочностью, что существенно уменьшает опасность травматизма. Составы этих добавок держатся в строгом секрете, поэтому в публикациях соответствующие данные представлены достаточно скудно.
Химический состав.
Основным ингредиентом ускорителя могут быть алюминат натрия, гидроксид либо карбонат натрия или кальция, триэтаноламин, сульфат трехвалентного железа и фтористый
натрий.
Натриевые соли гидрокарбоксильных кислот, например глюконаты и тартараты, могут использоваться как увлажняющие агенты. В качестве сгустителей обычно используются глины (бентонит), шлак и дисперсный кремнезем. Полигидрокси-соединения применяются для стабилизации растворов алюмината натрия.
Изготовление и использование. Дозы добавок порошкообразного ускорителя составляют приблизительно 2— 6 % массы цемента. Количество жидкого ускорителя определяется в замесе по объемному соотношению: содержание воды по отношению к объему ускорителя может находиться в диапазоне от 1:20 до 1:1. Разнообразные ускорители имеют различные концентрации твердых веществ, которые следует учитывать при определении количества добавки по объемным соотношениям. Не во всех случаях используются оптимальные концентрации, и там, где требуется быстрое твердение и раннее достижение высокой прочности, вводятся большие дозы. Однако технические условия могут допускать снижение максимальной прочности для смеси ускоренного твердения, что ограничивает количество применяемой добавки.
Дозирование и введение добавки. Порошкообразные добавки-ускорители, используемые в процессе сухого перемешивания, обычно добавляются в бетон или раствор с использованием шнекового или спирального дозатора. Порошок подается под действием силы тяжести к спиральному питателю, транспортируется по трубопроводу и затем высыпается в бункер, содержащий смесь. Дозы добавки регулируются путем увеличения или уменьшения частоты вращения шнека. Дозатор добавки обычно располагается над конвейером, загружающим смесь в торкретирующую машину. Это обеспечивает относительно равномерное распределение добавки в подаваемых материалах. Скорость подачи добавки должна быть синхронизирована со скоростью подачи материалов, проходящих дозатор, таким образом, чтобы обеспечивалось требуемое для смеси соотношение цемента и ускорителя.
Если используются жидкие добавки, то они вводятся из резервуара с повышенным давлением в трубопровод вблизи расположения сопла. Требуемый объем воды обеспечивается путем регулиррвания подачи добавки.
В настоящее время единственным надежным способом равномерного введения порошкообразных торкретных добавок непосредственно в мокрую смесь около сопла является использование цилиндрического питателя. Согласно этому способу, порошок спрессовывается в виде цилиндра, который при помещении его в питатель постепенно измельчается и увлекается воздушным потоком в сопло. Ускоритель перемешивается с другими торкретными составляющими в сопле и в процессе транспортировки к обрабатываемой поверхности. Количество подаваемой добавки регулируется изменением скорости перемещения цилиндра в питателе.
Хранение. Порошкообразные добавки чувствительны к влаге. Поэтому место хранения должно быть сухим и располагаться выше уровня земли. Мешки с ускорителем твердения должны размещаться на щитах не ниже 5 см от поверхности земли (пола). В мешках должна быть прослойка из пленки. Содержимое поврежденных мешков следует использовать немедленно после повреждения или совсем не применять. Срок хранения порошка ограничивается 6—8 мес при соблюдении соответствующих условий хранения. Активность вещества, как правило, начинает резко снижаться через 6 мес.
Особенности применения. Щелочные соединения, составляющие основу данных добавок, представляют собой едкие вещества и требуют осторожности в обращении. Для уменьшения выброса необходимо тщательное перемешивание составляющих. В процессе сухого перемешивания заполнители должны быть хорошо покрыты цементом.
Поскольку торкретные добавки способствуют усадке, необходимо поддерживать увлажнение обрабатываемой поверхности по меньшей мере в течение 7 сут. Температура окружающего воздуха должна поддерживаться у поверхности торкрет-бетона выше нуля по крайней мере в течение 7 сут .
Техника безопасности. Каустические вещества, содержащиеся в добавках, могут вызвать раздражение кожи вплоть до серьезных ожогов. Большинство составляющих считается первичными раздражителями. Их непосредственное воздействие на кожу при достаточной концентрации и в течение продолжительного времени может вызвать дерматит. При применении жидких добавок ожоги могут возникать мгновенно.
Вследствие серьезной угрозы этих веществ для кожи и глаз необходимо предусмотреть средства индивидуальной защиты для всех, кто работает в непосредственной близости от торкрет-бетонной машины и сопла. Они включают блузу с длинными рукавами или комбинезон. Кроме того, до запуска машины на участки кожи, которые могут подвергаться воздействию едких веществ, необходимо нанести защитный крем или лосьон.
В случае попадания этих веществ на кожу необходимо промыть ее водой и протереть уксусом, после чего провести обработку защитным кремом. Любое попадание в глаза требует немедленного обращения к врачу, при этом необходимо сразу же промыть глаза большим количеством воды.
Пластические свойства бетона и раствора. Механизм. Большинство используемых добавок, вероятно, действует путем осаждения нерастворимых гидроксидов или других солей, что не исключает ложного схватывания. Калориметрические, исследования теплопроводности показывают, что их основное воздействие на раннее упрочнение связано с действием на цементную фракцию С3А. Реакция С3А усиливается в присутствии этих добавок, и уже в раннем возрасте бетона наблюдается быстрое упрочнение.
Консистенция смеси. В зависимости от дозы добавки может получиться или смесь с хорошим сцеплением, или образоваться сухая пылевидная смесь. Высокое содержание цемента и оптимальные дозы (3—6 %) обычно обеспечивают образование смесей с высоким сцеплением, которые способствуют хорошему нанесению слоев бетона.
Начало и конец схватывания. При оптимальных уровнях дозировки начало схватывания может быть уменьшено до 3—4 мин, в то время как период конца схватывания может лежать в пределах 12—15 мин. Применение более высоких доз еще больше сокращает это время.
Характеристики затвердевшего бетона и раствора. Применяемый метод укладки делает торкрет-бетон потенциально более неоднородным по сравнению с обычным бетоном. Следовательно, формирование физических и механических свойств, таких, как прочность, усадка, проницаемость и долговечность, резко отличаются от формирования свойств обычного бетона. Эти различия особенно заметны на самых ранних и самых поздних стадиях твердения.
Прочность при сжатии. Пределы прочности обычно ниже (15—20%), чем у соответствующих смесей, которые не содержат добавок при использовании как мокрого, так и сухого процесса перемешивания при оптимальных дозах добавок 2—4 %. Когда доза превышает 4 %, происходит резкое снижение прочности. Однако в особых условиях, например при предотвращении утечки воды, такое снижение приемлемо. В общем случае факторы, которые вызывают в начальной фазе упрочнение бетона, по-видимому, оказывают отрицательное влияние на конечный предел прочности.
Использование ускорителей твердения в торкрет-бетонных смесях при применении регуляторов схватывания бетона обычно приводит к снижению прочности как в начальном, так и в более позднем возрасте.
Прочность при растяжении и изгибе. Показатели прочности при растяжении обычно меньше тех значений, которые можно ожидать исходя из значений прочности при сжатии. Это, по-видимому, отражает зависимость прочности при растяжении от слоистости и других дефектов в торкрет-бетоне. Значения прочности при изгибе отражают аналогичную зависимость.
Модуль упругости. Как правило, зависимость между прочностью при сжатии и модулем упругости аналогична зависимости для обычного бетона. Как и для обычного бетона, соответствующая выдержка обспечивает увеличение прочности во времени.
Прочность сцепления. Высокая прочность сцепления может быть достигнута
между слоями торкрет-бетона и поверхностью щебня как при сухом, так и при мокром перемешивании при использовании добавок. Прочность сцепления увеличивается при увеличении дозы до 2 %, а затем при дальнейшем добавлении падает.
Усадка. Смеси, содержащие добавку, имеют более высокие значения усадки по сравнению с соответствующими смесями без добавок. Усадка увеличивается с ростом
дозы добавки и содержания воды в смеси как для мокрого, так и для сухого торкрет-бетона.
Долговечность. Предварительные испытания показывают, что большинство патентованных ускорителей твердения отрицательно влияет на сопротивление попеременному замораживанию и оттаиванию.
Проницаемость. Поскольку добавки улучшают условия набрызга и минимизируют выброс, улучшение проницаемости является спорным. Реальные испытания, однако, показывают, что этот эффект незначителен, и полученные значения близки к значениям, характерным для смесей без добавок.
Факторы, влияющие на взаимодействие добавок с торкрет-бетоном. На реакцию как мокрого, так и сухого процессов влияют два фактора: подбор состава смеси и условия транспортирования, преобладающие во время разбрызгивания бетона. Факторы, связанные с подбором смеси, включают тип цемента и его содержание, водоцементное отношение, совместимость цемента и добавки, а также наличие других добавок.
Цементы с более высоким содержанием С3А, например типа I и III, дают лучшие результаты по сравнению с цементами с низким содержанием С3А, например типа IV и V. При применении цемента более тонкого помола и высоком содержании цемента реакция ускоряется. Изменения состава цемента и добавки в замесах влияют на их совместимость в смеси, что приводит к снижению развития ранней прочности и изменению прочностных характеристик. Обычные добавки, используемые для разжижения при подаче бетонной смеси насосом (в мокром процессе), часто замедляют твердение цемента.
Результаты торкретирования во время разбрызгивания бетона зависят от дозы добавки, температуры смеси и окружающего воздуха, водоцементного отношения, предварительной гидратации цемента и задержки внесения добавки.
Введение высокой дозы добавки вызывает мгновенное схватывание, вследствие чего смесь получается слишком сухой и не удерживается на поверхности набрызга. С другой стороны, применение малых доз может привести к задержке начала схватывания и растеканию смеси. В любом случае это препятствует наращиванию слоев.
При температуре более 30°С наблюдаются ускорение схватывания, образование сухих смесей, увеличение выброса и снижение характеристик прочности. При температуре ниже 10°С растягивается время схватывания и твердения и увеличивается стекание смеси с поверхности.
Предварительная гидратация цемента из-за наличия влаги в заполнителе и задержки внесения добавки приводит к снижению ранней прочности.
Применение. Использование ускоряющих добавок в торкрет-бетоне ограничивается его высокой стоимостью, более низким пределом прочности и опасностью травматизма. Однако в тех случаях, когда требуется обеспечить быстрое схватывание для ускоренного наращивания слоев и раннее развитие прочности для лучшего удерживания наращиваемых слоев, а также предотвратить утечку воды, необходимо использовать ускорители твердения. Как правило, ускорители применяются при сооружении подвесных конструкций, некоторых вертикальных стен и в местах с высоким уровнем грунтовых вод. Их использование в торкрет-бетоне предотвращает образование натеков и стекание торкрет-бетона, а также уменьшает выброс материала.