Добавки, понижающие влаго- и водопроницаемость
Вода проникает в бетон при повышенном давлении или путем абсорбции. В первом случае вода под давлением продавливается через каналы, которые соединяют две лицевые поверхности бетона. Во втором случае прохождение влаги через бетон вызывается только капиллярным действием. Испарение с лицевых поверхностей, вызываемое разреженным воздухом и постоянным пополнением влаги с поверхностей, находящихся в контакте с водой, влияет на прохождение влаги через бетон.
Комплексные добавки, понижающие водопроницаемость, производят в виде порошков, жидкостей или суспензий, которые при перемешивании со свежим бетоном снижают проницаемость выдержанного бетона или придают затвердевшему бетону гидрофобные свойства.
Виды добавок. Добавки, которые уменьшают проницаемость бетона, эффективны для снижения перемещения влаги под давлением, в то время как материалы, понижающие влагопроницаемость, могут уменьшать миграцию влаги по капиллярам. Большинство таких добавок не уменьшает прохождение воды при положительном гидростатическом напоре.
Добавки, понижающие влаго- и водопроницаемость, могут быть сгруппированы в соответствии с их физическими и химическими характеристиками следующим образом:
а) водоотталкивающие материалы, включая мыла и жирные кислоты, которые реагируют с продуктами гидратации цемента и веществами, подобными эмульсиям парафинов;
б) тонкоизмельченные твердые вещества, являющиеся инертными материалами, заполняющими поры;
в) химически реакционно-способные тонкоизмельченные твердые вещства;
г) обычные водопонижающие, воздухововлекающие и ускоряющие твердение добавки;
д) смешанные, например метилсиликонаты.
Материалы группы «а» представляют собой добавки, понижающие влагопроницаемость, а материалы групп «б», «в» и «г» используются в качестве добавок, снижающих водопроницаемость.
Химический состав. Наиболее широко известными водоотталкивающими материалами в группе «а» являются кальциевые или аммонийные соли жирных кислот, например стеараты. Жидкие материалы включают такие жирные кислоты, как олеиновую, каприновую, каприловую, а также дисперсии стеарата аммония в воде и бутилстеарат. Используются также некоторые растительные и животные жиры и эмульсии на основе белого жира, таллового или соевого масла и пасты. Другие продукты этой категории, производимые из кубовых остатков нефти, включают тяжелые минеральные масла, парафиновые воски и битумные эмульсии. Известны также очень тонкие фракции восковых эмульсий, получаемых из парафинов с точкой плавления 57—60 °С и эмульгирующего агента. Тяжелые минеральные масла эффективны в качестве средств против абсорбции воды и в некоторой степени — против проникания воды под давлением.
Тонкоизмельченные твердые вещества могут быть инертными или реагировать с продуктами гидратации цемента. Реакционноспособные материалы включают некоторые силикаты и тонкоизмельченные доменный шлак и пуццоланы — золу-унос и диатомит. К инертным материалам относятся каолины, тальк, бентонит и кремнеземистые порошки.
Поглощение воды при применении этой добавки значительно уменьшается, зато удлиняются сроки схватывания.
Некоторые добавки (например, стеараты+ СаСЬ) включают материалы двух или более групп и могут рассматриваться как многофункциональные. Они снижают проницаемость и усиливают степень влагонепроницаемое без потери прочности.
Изготовление и использование. Материалы, способствующие водоотталкива-нию, применяется в виде сухих порошков. Обычно стеариновое мыло смешивается с тальком или мелким кварцевым песком и используется в определенной дозировке по отношению к массе цемента. При производстве жидких добавок в коммерческом масштабе содержание соли жирной кислоты (мыла) обычно составляет 20 % или меньше; к ней добавляется твердое вещество — известь или СаСЬ. Последний используется для того, чтобы не допустить снижения прочности, которое происходит на самой ранней стадии при применении материалов на основе мыла.
Бутилстеарат, который оказывает на бетон такое же влияние, как и мыла, обычно добавляется в виде эмульсии. В отличие от мыл он не проявляет пенообразующего действия и поэтому может быть использован в большей дозировке, не оказывая отрицательного влияния на прочность и проницаемость. Утверждают, что эта эмульсия лучше диспергируется в смеси, а при применении в дозировке 1 % от массы цемента ее водоотталкивающий эффект выше, чем у мыл; прочность при этом не снижается.
Тяжелое минеральное масло (жидкий продукт нефтеперегонки) не должно содержать омыляющих жиров и масел. Вполне пригодны нефтяные остатки, которые эмульгируют со щелочью, имеют подходящую вязкость и способны смешиваться с водой. Хорошие результаты получены при дозировке до 5 % массы цемента, при этом наблюдается небольшое снижение прочности при сжатии.
Тонкоизмельченные инертные заполнители пор и реакционноспособные материалы обычно применяются в смесях с низким содержанием цемента и мелких заполнителей. При этом достигается повышение прочности и снижение проницаемости бетона. Эти материалы используются для производства водонепроницаемого бетона при дозировке от 0,5 до 10 % массы цемента. Дозировка зависит от содержания цемента, плотности мелких заполнителей в смеси и типа добавки.
Жидкий метилсиликонат натрия можно вводить в дозе не более 2—3 % из-за значительного замедления схватывания. При такой дозировке преимущества, которые можно получить от использования добавки, не могут быть реализованы.
Введение порошкообразных материалов производится главным образом вручную: оператор
добавляет отмеренный по массе материал в бетономешалку. Дозирование жидких материалов можно осуществлять с помощью автоматического дозировочного оборудования, используемого для обычных добавок.
Добавки, являющиеся тонкими порошками, обычно смешивают с кварцевым песком для достижения лучшего диспергирования. Водные дисперсии бентонита и парафиновые эмульсии дозируют в смеситель таким же образом, как и другие жидкие добавки. Эти материалы вводят сразу же после загрузки заполнителей, смешанных в течение непродолжительного времени, а затем добавляют цемент. Поскольку они представляют собой порошок твердых материалов, требуется тщательное их смешивание с другими твердыми материалами.
Добавки, полученные на основе мелкоизмельченных инертных твердых материалов, относительно стабильны и нечувствительны к изменениям влажности или температуры. Продолжительность хранения этих материалов превышает 12 мес, определенных для большинства фирменных продуктов. Парафиновые и битумные эмульсии, однако, чувствительны к замерзанию и могут давать осадок, поэтому необходимо обеспечить соответствующие условия их хранения.
При выборе добавок, повышающих степень влаго- и водонепроницаемости, необходимо учитывать следующие факторы: тип водонепроницаемой добавки; дозировку; совместимость с другими добавками; температуру укладки и выдержки; ограничения в использовании добавки. Применение некоторых растительных и животных масел и эмульсий
на основе белого жира или соевого масла может привести к значительным изменениям прочности, что влечет за собой большую отбраковку бетонных смесей.
Дозировка добавок на основе мыл, используемых в бетонных смесях, не должна превышать 0,2 % массы цемента, так как при введении больших доз увеличивается содержание воздуха и снижается прочность. Это, в частности, наблюдается при использовании бетона с осадкой конуса, превышающей 75 мм.
Использование комплексной, снижающей водопроницаемость добавки в сочетании с водопонижающей добавкой может дать побочный эффект. При нормальных дозировках для обеих добавок и осадке конуса больше 75 мм увеличиваются сроки схватывания, во-доотделение и содержание воздуха.
При применении водоотталкивающего материала в смесях, содержащих обычную во-допонижающую добавку, должны быть предприняты следующие контрольные меры: использование сухих смесей (осадка конуса меньше 75 мм) с низким водоцементным отношением; использование уменьшенных дозировок для водопонижающих и водонепроницаемых добавок; использование водопонижающего ускорителя схватывания.
Температура укладки и выдержки играет важную роль при действии водонепроницаемых добавок. Например, при температуре ниже 15 °С наблюдается замедление схватывания. Некоторые снижающие водопроницаемость добавки могут влиять на гидратацию цемента, так как они препятствуют прониканию воды к частицам цемента. При использовании рассматриваемых добавок для устройства полов и стен важно определить, не будут ли они препятствовать сцеплению с применяемыми покрытиями, клеящими составами или штукатуркой.
Пластичные свойства бетона и раствора.
Механизм. Оба типа добавок увеличивают стойкость к прониканию воды, действуя при этом в качестве заполнителей пор либо создавая гидрофобное покрытие стенок пор, а также в результате соединения обоих эффектов. Материалы, которые образует гидрофобные покрытия (жирные кислоты, парафиновые и битуминозные эмульсии), действуют следующим образом.
Обычно бетон «увлажняется», так как давление, необходимое для увлажнения, является низким из-за сил поверхностного натяжения, которые затягивают воду в поры. При использовании таких добавок, повышающих степень водонепроницаемости, как стеараты, в результате реакции мыла с Са(ОН)2 образуется нерастворимый стеарат кальция, который закрывает поверхность пор. Подобным же образом парафиновые или битумные эмульсии при контакте с продуктами гидратации цемента осаждаются в виде мельчайших капелек парафина или битума на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные покрытия. В результате этого возникает контакт, имеющий обратный угол, при котором силы поверхностного натяжения выталкивают воду из пор.
При таком большом значении угла контакта требуется напор воды 1—4 м для ее проникания на поверхность через самые большие капилляры. Практически, однако, из-за наличия неоднородных и неполных пленок, а также пустот в бетоне сопротивление обычно уменьшается до нескольких сантиметров напора воды. Соответственно добавки, снижающие влаго- и водопроницаемость, эффективны только тогда, когда идет дождь; они препятствуют подъему влаги, но малоэффективны для конструкций, удерживающих воду.
Удобоукладываемость. Большинство материалов группы «а» является воздухововлекающими, поэтому они улучшают удобоукладываемость по сравнению с бетонами без добавки.
Мелкие частицы парафиновых или битуминозных эмульсий также могут оказывать смазывающее действие.
Водоотделение и осадка. При применении рассматриваемых добавок в смесях со средним расходом цемента и низким значением осадки конуса при нормальной температуре сцепление смеси увеличивается. Мелкоизмельченные добавки ухудшают удобоукладываемость смесей с большим расходом цемента из-за возрастания водопотребности.
Удобоукладываемость смесей с низким содержанием цемента и мелкими заполнителями улучшается.
Характеристики схватывания. Введение рекомендуемых доз добавок, снижающих водопроницаемость, незначительно влияет на сроки схватывания. Однако при использовании больших дозировок добавок и высокой пластичности смеси возникает высокое воздухововлечение, которое выражается в замедлении сроков схватывания. Особенно часто это может происходить при низких температурах выдержки (<15°С). Этот эффект значительно возрастает при одновременном применении водопонижающей добавки.
Содержание воздуха. При использовании высоких доз добавок на основе мыл и хорошей удобоукладываемости бетона происходит вспенивание смеси из-за очень высокого
содержания воздуха. Это явление чаще встречается при введении в бетон комбинации водопонижающих агентов и добавок, снижающих водопроницаемость.
Отделка. В зависимости от дозировки применяемой добавки и пластичности смеси повышенная сцепляемость может привести к образованию «вязких» смесей. Это
происходит в основном в смесях с высоким содержанием цемента и мелких заполнителей и при низком отношении В/Ц.
В таких случаях могут потребоваться изменения в составе смесей и использование крупного песка.
Затвердевший бетон.
Прочность при сжатии. В общем при применении эмульсий мыл и парафина наблюдается некоторое снижение прочности при сжатии, в частности в бетонных смесях с высокой прочностью, из-за воздухововлечения, вызываемого применением этих добавок. Смеси с низким содержанием цемента и жесткой консистенцией (содержащие добавку) часто имеют повышенное значение прочности по сравнению со смесями без добавок вследствие улучшения уплотнения и характеристик водоотделения. Соответственно материалы с мелкими частицами отрицательно влияют на прочность смесей с высоким содержанием цемента и улучшают прочность смесей с низким содержанием цемента. Добавка порошков к смесям с высоким содержанием цемента увеличивает водо-потребность, что приводит к повышенному содержанию воды в такой смеси. В бедных цементом смесях эта добавка действует как заполнитель пор и улучшает удобоукладываемость.
Долговечность. Хотя добавки, снижающие влаго- и водопроницаемость, незначительно улучшают стойкость к прониканию воды, утверждают, что присутствие даже небольших количеств этих добавок улучшает морозостойкость. Показано, что парафиновые эмульсии значительно улучшают характеристики морозостойкости. Однако эти результаты нельзя непосредственно связать с эффектом водостойкости, так как указанные добавки снижают водоцементное отношение и вовлекают до 4 % воздуха.
Снижение доступа воды улучшает эстетические характеристики заводских архитектурных бетонных изделий. Заметно уменьшаются выщелачивание и соответственно образование налетов, портящих внешний вид изделий.
Проницаемость. Такие материалы, как мыла и мелко измельченные инертные заполнители, которые уменьшают плотность путем увеличения содержания пустот в бетоне, снижают водонепроницаемость. Аналогично материалы, которые уменьшают прочность бетона, увеличивают его проницаемость. Этот эффект проявляется в раннем возрасте твердения бетона.
Факторы, влияющие на эффективность добавок. Удобоукладываемость. При хорошей удобоукладываемости бетона образуется пена, если в качестве добавок используют мыла, парафиновые и битумные эмульсии, особенно в больших дозах. В результате этого уменьшается плотность и снижается водонепроницаемость.
Присутствие других добавок в смеси. Использование водонепроницаемых добавок типа жирных кислот или парафиновой эмульсии в сочетании с водопонижающими добавками типа лигносульфонатов или гидроксикарбоксильных соединений приводит к значительному воздухововлечению и уменьшению прочности, в результате чего уменьшаются характеристики водонепроницаемости. При высокой удобоукладываемости лигносульфонаты противодействуют снижению водоотделения, вызываемого парафинами, и увеличивают степень водоотделения.
Содержание цемента. Когда повышающие степень водонепроницаемости добавки используются в богатых смесях, часто возрастает объем пор, что вызывает увеличение проницаемости, хотя степень абсорбции может снижаться.
Содержание мелких заполнителей в смеси. Применение добавок приводит к выделению воздуха, в связи с чем смеси с большим содержанием мелких заполнителей могут способствовать воздухо-вовлечению.
Перемешивание. Плохое перемешивание может снизить гидрофобные свойства поверхности. Подобный же эффект возникает в конструкции из-за различного перемещения влаги.
Условия выдержки. Эффективность этих добавок тесно связана с основными условиями выдержки в раннем возрасте. Водостойкость бетона увеличивается при выдерживании. Наиболее решающими являются первые 7 сут выдержки, так как основные характеристики бетона формируются в этот период. Бетон с такими добавками не должен высыхать до истечения этого срока. Нельзя также использовать выдержку с перерывами, так как если бетон высох, он не может быть снова увлажнен соответствующим образом.
Применение. Добавки, снижающие влаго- и водопроницаемость, используются для изготовления крыш, фундаментных блоков, оснований, резервуаров воды, бетонных блоков и при производстве архитектурных заводских бетонных изделий.