Флокулирующие добавки
Физические характеристики бетонной смеси в пластичном и затвердевшем состоянии определяются способом и степенью притяжения между частицами. Одним из таких свойств, где притяжение между частицами играет важную роль, является водоотделение. Хотя характеристики водоотделения бетона зависят от нескольких факторов, здесь будет рассмотрено только влияние химических факторов на эти характеристики.
Главная функция флокулирующих добавок заключается в снижении интенсивности водоотделения от разрушительной формы (каналы) до более постепенной инфильтрации
(нормальной) в смесях, в которых ожидаются высокие скорость и объем водоотделения.
Флокулирующая добавка представляет собой химическое соединение, которое воздействует на состояние флокуляции водной цементной фазы путем изменения сил, действующих между частицами, существующими в данной системе.
Виды добавок. В качестве добавок используются материалы четырех типов, включающие полиэлектролиты, парафиновые эмульсии, водные эмульсии различных глин и природные водорастворимые каучуки.
Химический состав. Как при лабораторных исследованиях, так и в заводских условиях успешно применяются следующие полиэлектролиты: полиакрилат натрия, сополимермалеинового ангидрида изобутилена, сополимер соли натрия стиролмалеинового ангидрида, полиметакриловая кислота, полиакриламиды, полиакрилонитрил и сополимер соли кальция винилацетата малеинового ангидрида. Используются также два типа парафиновых восковых эмульсий, содержащих 20—30 % твердого вещества по массе с размером частиц от 0,5 до 1,0 мкм, которые могут быть стабильными или нестабильными в водной цементной фазе. Эмульгаторы включают смеси моностеарата сорбитана и стеарата полиэтилена, а также спиртов олеумных стеаринов, осажденных оксиэтиленом. Обычно применяются водные суспензии таких глиняных материалов, как каолин и бентонит, содержащие 2—6 % твердых веществ по массе. Размер частиц суспензии каолина обычно гораздо меньше, чем размер частиц в суспензиях бентонита.
Из водорастворимых каучуков следует упомянуть арабский каучук, каучук гхатти и альгинаты, используемые в качестве веществ, увеличивающих вязкость и потерю текучести при перекачивании бетона нормальной массы и тампонировании нефтяных скважин. Арабский каучук обеспечивает низкую вязкость системы в цементном тесте, в то время как каучук гхатти придает раствору высокую тиксотропность. Все три материала чувствительны к увеличению вязкости при высоком значении рН и большой концентрации электролитов.
Из других материалов подобного назначения можно назвать белую сажу и стеарат аммония.
Изготовление и использование. Полиэлектролиты обычно добавляют в небольших количествах, не превышающих 0,15 % массы цемента. В связи с тем что эти добавки растворяются медленно, растворы следует готовить заранее. Дозировки для парафиновых эмульсий составляют 0,1 — 0,5 % для нестабильных и 1,0—25 % массы цемента для стабильных эмульсий.
Количество добавки для суспензий глины зависит от содержания мелких частиц в цементе и объема пустот в заполнителях. Для суспензий бентонита добавка обычно составляет 0,2—0,5 %, а для суспензий каолина — 1—20 %. Для обеспечения полной гидратации и дисперсии частиц бентонита следует приготовлять эти суспензии, по крайней мере, за 48 ч до их использования. Доза добавки для природных водорастворимых каучуков находится в пределах 0,02—0,5 %.
Все жидкие добавки вводятся в смесь с дозированной водой затворения и могут подаваться с помощью автоматического дозировочного оборудования, используемого для других добавок. Однако при специфическом использовании только данных добавок установка специальных автоматических дозаторов обычно бывает неоправданной. Исключение составляет строительство таких крупных объектов, как плотины, где применение местных дробленых песков часто приводит к значительному водоотделению в смеси.
В дисперсиях глин и парафиновых эмульсиях часто выпадает осадок при хранении их в течение длительного времени.
Поэтому емкости для хранения добавок в больших объемах должны быть оборудованы устройством для перемешивания добавки перед разгрузкой.
Активность парафиновых эмульсий снижается при замораживании. При низких температурах возрастает вязкость этих материалов, что может привести к изменению количества добавки, подаваемой в смесь, из-за закупорки трубопровода. Срок хранения добавок обычно ограничен 6— 9 мес.
Свойства пластичного бетона.
Механизм. Полагают, что флокуляция происходит при взаимодействии групп с высокими зарядами, например молекул флокулирующего агента с частицами цемента. Эти соединения адсорбируются на зернах цемента, связывая их между собой. В результате этого возрастают силы притяжения между частицами, что значительно увеличивает возможность такого воздействия в качестве сильного коагулянта.
Нестабильные парафиновые эмульсии также заполняют пустоты между частицами цемента и заполнителя, проходящими через сито 25 меш.
Удобоукладываемость. При введении добавок в бетоны и растворы с большим содержанием цемента осадка конуса снижается. Повышенное сцепление таких смесей значительно ухудшает их удобоукладываемость. В смесях с низким содержанием цемента увеличение сцепления не оказывает значительного действия на осадку конуса.
Водоотделение. Добавки всех типов в основном снижают объем водоотделения иногда до 50 %. Однако влияние на скорость водоотделения может изменяться в зависимости от типа добавки. Некоторые полиэлектролиты и стабильные парафиновые эмульсии могут увеличивать скорость водоотделения и уменьшать его объем. Бентонитовые суспензии и нестабильные парафины более эффективны, чем каолин или стабильные парафиновые эмульсии, для снижения скорости и объема водоотделения в цементном тесте. В смесях, имеющих пониженный объем водоотделения при использовании этих добавок, наблюдается сопутствующее уменьшение компактности осажденного цемента и частиц плохо фракционированных заполнителей.
Затвердевший бетон и раствор.
Прочность при сжатии. Добавки, обеспечивающие сильное притяжение между частицами,— полиэлектролиты, каучуки и нестабильные парафины — дают положительный эффект при дозировках до 0,025 %. Выше этого уровня снижается прочность в смесях с низким содержанием цемента, в то время как смеси с высоким содержанием выдерживают уровень добавки до 0,1 % без уменьшения прочности. Добавки, которые обеспечивают поступление дополнительного количества мелких частиц в смесь (стабильные парафины, суспензии каолина), дают повышение прочности до 10 % для инертных материалов и до 25 % для пуццолановых материалов.
Факторы, влияющие на действие флокулирующих добавок. Если дозировка добавки превышает оптимальный уровень, то это приводит к ухудшению удобоукладываемости из-за высокой тиксотропности, в результате чего удлиняются сроки схватывания и снижается прочность.
Эффективность полиэлектролитов зависит от содержания щелочей в цементе. Низкощелочные цементы дают более низкую степень коагуляции, чем высокощелочные. При содержании щелочей свыше 1 % необходимо увеличить жесткость теста.
Для бетонных или растворных смесей, содержащих лигносульфонаты или водопонижающие добавки гидрокарбоксильного типа, обычно требуются более высокие дозировки флокулирующих добавок. Если же смеси содержат добавки, ускоряющие твердение (например, СаСЬ), то дозировка флокулирующих добавок должна быть уменьшена.
Применение. Флокулирующие добавки обычно применяют в следующих случаях:
если использование химических добавок для уменьшения водоотделения экономично;
при использовании смесей с высоким содержанием цемента для предотвращения высокого водоотделения, если это предопределено конструкцией, например для конструкций из массивного бетона;
при использовании тощих бетонов низкой прочности, когда требования к укладке бетона преобладают над конструктивными требованиями.
Эти добавки часто применяют для уменьшения отделения воды в бетоне, уложенном в глубокие формы, что препятствует образованию цементного молока на поверхности бетона. Их успешно используют при выполнении работ с массивным бетоном, так как они уменьшают излишнюю очистку между последовательными подъемами. Дри этом также уменьшаются пустоты, под горизонтальными армирующими стержнями, в результате чего увеличивается сцепление со сталью и уменьшается коррозия.
Флокулирующие добавки находят применение при производстве бетонных блоков, бетона в передвижных формах и тощих бетонов.