Влияние добавок-водопонизителей на характеристики твердеющего бетона

Рассматриваемые добавки могут влиять на физические, механические и химические свойства твердеющего бетона, в частности и при снижении его водопотребности.
Физические свойства. При постоянной прочности растет плотность бетона вследствие снижения количества воды затворения при сохранении одинакового с контролем объема воздуха. В этих условиях плотность бетона возрастает на 0,6—1,2 %.
Пористость бетона и раствора в присутствии водопонизителей зависит от степени гидратации цемента и водоцементного отношения. В более поздние сроки твердения, когда степень гидратации цемента не столь существенно зависит от добавок, пористость бетона тем ниже, чем меньше В/Ц. В результате эталонные образцы (без добавок) и бетоны с добавками, но при пониженных расходах цемента и воды затворения, имеют близкие пористость и кривую распределения пор,по размерам в области более мелких пор. Как видно, при В/Ц = 0,5 для образцов из портландцемента участок кривой распределения пор по радиусам в интервале 1—7,5 нм практически не отличается от аналогичного участка кривой для образцов из портландцемента, содержащих 0,2 % технического лигносульфоната, однако для них характерно повышенное содержание пор с радиусом более 7,5 нм.
Общая пористость, включающая поры с радиусом <20 нм, для портландцемента, содержащего 0,2 % технического лигносульфоната, тоже несколько выше, чем для этого же цемента без добавки, тогда как у составов на пуццолановом и шлакопортландцементе без добавок и с добавкой различие не обнаружено.
Поверхностные свойства бетона. Через 7 сут твердения удельная поверхность образцов с 0,2 % лигносульфоната кальция несколько выше, чем у эталонных. Аналогичные результаты получены при обработке кумулятивных кривых распределения пор по размерам. Эти результаты можно объяснить частично большей степенью гидратации цемента в присутствии добавки и соответственно возросшим объемом продуктов гидратации к 7 сут.
Проницаемость бетона. В связи с пониженным водоцементным отношением пористость и проницаемость бетона с добавками рассматриваемых типов уменьшаются. При постоянном расходе цемента (300 кг/м3 бетона) и осадке конуса (100 мм) введение 0,2 % технического гидроксилированного полимера-водопонизителя снижает проницаемость бетона как в раннем возрасте, так и в более поздние сроки. Близкие данные получены при использовании в качестве добавок лигносульфоната аммония, технического лигносульфоната и смесей гидроксикарбоновых кислот. Уменьшение проницаемости бетона, обусловленное водопонижающим действием добавок, наблюдается и когда их используют для снижения расхода цемента, что объясняется, по-видимому, повышенной степенью гидратации цемента.
В присутствии 0,2 % технического лигносульфоната кальция раствор (В/Ц = 0,5) характеризуется более быстро протекающими деформациями усадки и большим значением усадки к 7 сут по сравнению с эталоном, но к 90 сут величина усадки оказывается одинаковой. Аналогичные данные получены и при использовании глюконата натрия или сахарозы, смесей лигносульфоната кальция с хлоридом кальция, а также лигносульфоната и триэтаноламина. Установлено, что и добавки на основе гидроксилированных органических веществ способствуют более сильной усадке в раннем возрасте, однако этот их эффект со временем уменьшается, и через несколько месяцев усадка практически полностью приостанавливается.
Некоторое повышение усадочных деформаций в присутствии добавок можно объяснить отчасти тем, что добавки увеличивают содержание более крупных пор, а также удельную поверхность цементного камня из-за возрастания его объема в результате более полной гидратации цемента в раннем возрасте.
Значение усадки зависит от типа добавки и ее дозировки. В большинстве случаев авторы нашли, что добавки либо уменьшают усадку, либо не оказывают на нее сколько-нибудь существенного влияния.
Установлено, что через 28 сут и 1 год бетоны с этими добавками имели меньшую усадку, чем бетоны без добавки, тогда как в возрасте 3 и 7 сут в некоторых случаях усадка бетонов с добавкой была несколько выше, чем у контрольных образцов.
Обнаружено также, что введение добавки лигносульфоната приводит к снижению усадки бетонных образцов, изолированных от внешней среды как в раннем возрасте, так и в более поздние сроки (вплоть до пяти лет).
Ползучесть бетона зависит от таких факторов, как тип цемента и состав бетона, вид заполнителей, время загружения конструкций, степень гидратации цемента к этому времени и ее протекание под нагрузкой, колебание влажности цементного геля и сушка бетона под нагрузкой (ползучесть при сушке), а также изменение условий равновесия между окружающей средой и бетоном при его нагружении. На сегодня имеются лишь ограниченные сведения о влиянии замедлителей и водопони-жающих добавок на ползучесть бетона, причем большинство этих данных не связано с изучением роли добавок в развитии ползучести бетона в зависимости от перечисленных факторов. При выборе момента нагружения исходили из условия одинаковой степени гидратации цемента в бетоне без добавки и с добавкой. Установлено, что при использовании цемента типа I добавка повышала меру и абсолютное значение ползучести как в начальные сроки, так и в более позднем возрасте, что согласуется с другими литературными данными. С другой стороны, при использовании цемента типа V не обнаружили сколько-нибудь существенной разницы между ползучестью бетона с добавкой и без нее.
В присутствии гидроксикарбоновой кислоты в меньшей степени проявляются ползучесть и снижение влажности образцов (в сравнении с контрольными). Однако тенденция к изменению влажности в образцах с добавками такова, что в более поздние сроки можно ожидать увеличения потери влаги. Это согласуется с длительными испытаниями на ползучесть образцов с добавкой гидроксикарбоновой кислоты; в большинстве случаев она выше, чем у контрольных образцов. Однако в легких бетонах с этой же добавкой деформация ползучести для большинства изученных влажностных условий была ниже, в том числе и при длительных сроках нагружения.
Хотя в присутствии лигносульфоната не обнаружили никаких существенных изменений морфологии продуктов гидратации цемента, последовательность их образования и количественное соотношение продуктов гидратации могут сильно отличаться, если добавки отсутствуют. Это обстоятельство частично объясняет влияние изучаемых добавок на ползучесть бетонов, особенно если они изменяют скорость и степень гидратации цемента под нагрузкой.
Механические свойства бетона. Такие механические показатели бетона, как прочность при сжатии, растяжении и изгибе, модуль упругости, прочность сцепления и износостойкость, в большей или меньшей степени взаимозависимы, поэтому изменение одного из них приводит к изменению других, однако степень подобных изменений неодинакова.
Прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут. Снижение количества воды затворения в присутствии добавок приводит к росту прочности бетона к 28 сут, причем это повышение больше, чем можно было ожидать, исходя только из снижения водоцементного отношения. Причины более высокой прочности бетона с добавками по сравнению с контрольными образцами при одинаковом водоцементном отношении объясняются большей степенью гидратации цемента с добавками в поздние сроки. Как видно, сказанное относится к таким водопонижающим и замедляющим схватывание добавкам, как сахароза, лигносульфонаты и глюконовая кислота.
Прочность при сжатии в другие сроки. Прочность бетона зависит от того, являются ли водопонизители замедляющими, ускоряющими или они не изменяют сроки схватывания цемента. В целом в возрасте более 28 сут прочность бетона с добавками по сравнению с бетоном без добавок изменяется примерно так же, как и через 28 сут, что было подтверждено при испытании материала в течение 5 лет.
В раннем возрасте (1 сут) прочность при сжатии бетонов с водопонижающими добавками (лигносульфонатом, глюконовой кислотой или сахарозой) ниже, чем контрольных, что объясняется их замедляющим процессы гидратации цемента действием; причем чем больше содержание добавок, тем сильнее их замедляющий эффект.
Если сравнить бетоны без добавок и бетоны с техническими добавками при одинаковых расходе цемента и осадке конуса, то разница в прочности окажется несколько ниже и будет зависеть от типа добавок. Если они замедляют процессы гидратации, то эта разница будет больше. Водопонизители-ускорители могут обеспечить повышение ранней прочности бетонов с добавками по сравнению с бетонами без добавок.
В возрасте 3 и 7 сут прочность бетона с добавками возрастает сильнее, чем в одно- и 28-суточном возрасте, причем даже если применяют добавки водопонизители-замедлители при одинаковом с контрольными составами водоце-ментном отношении, то прочность последних ниже, чем бетона с этими добавками, за исключением случая их чрезмерно высокой дозировки.
Прочность бетона при изгибе. При одинаковых с контрольным бетоном расходе цемента и осадке конуса введение лигносульфоната или гидроксикарбоновой кислоты приводит к 10%-ному повышению прочности в возрасте от 7 сут до 1 года; соответственно равнопрочные бетоны можно получить при снижении расхода цемента на 15 %.
В присутствии лигносульфоната кальция растворы на портландцементе в возрасте 3 сут и более характеризуются более высокой прочностью при изгибе, чем контрольные. Аналогичные результаты получены и при использовании пуццоланового и шлакопортландцемента.
Прочность бетона при растяжении. Несмотря на трудность получения надежных данных имеющиеся публикации свидетельствуют о том, что добавки либо не изменяют, либо повышают прочность бетона при растяжении. В присутствии лигносульфоната и гидроксикарбоновой кислоты прочность бетона при сдвиге выше, чем бетона без добавок.
Модуль упругости. Хотя считается, что модуль упругости приблизительно пропорционален корню квадратному прочности бетона при сжатии, четкая зависимость между этими показателями в присутствии добавок не определена. Так, при увеличении модуля упругости бетона с добавкой гидроксикарбоновой кислоты на 7 % прочность его при сжатии возросла на 24 % по сравнению с контрольным бетоном при одинаковой удобообрабатываемости смеси. Модуль упругости бетона с добавкой лигносульфоната в возрасте от 1 до 5 лет на 2—8 % больше, чем модуль контрольного бетона, даже при меньших расходе цемента и воды и повышенном содержании заполнителя. Это можно объяснить более высоким модулем упругости заполнителя.
Адгезионная прочность. Добавка лигносульфоната повышает прочность сцепления в бетоне на 15—20 % и уменьшает проскальзывание арматуры при одинаковом значении адгезионной прочности. Этот результат можно связать со снижением в присутствии добавки В/Ц и соответственно водоотделения и усадки, что приводит к увеличению сил адгезии. Износостойкость бетона. Согласно некоторым данным, износостойкость пропорциональна прочности бетона при сжатии, следовательно, добавки-водопонизители должны улучшать износостойкость бетона, особенно в условиях жаркого климата, что подтверждено в опытах.
Долговечность бетона. Обычно долговечность бетона определяют как стойкость бетона к попеременному замораживанию и оттаиванию. Однако правильнее включать в это понятие также сопротивление бетона к другим воздействиям, например сульфатов и хлоридов.
Морозостойкость. Установлено, что в общем виде морозостойкость бетона зависит от содержания в нем воздуха: характера распределения воздушных пузырьков в цементном камне и степени заполнения этими пузырьками бетона и заполнителя. Однако вызванное введением водопонижающей добавки снижение водоцементного отношения или возрастание удобообрабатываемости бетонной смеси влияет на ее качество и кривую распределения воздушных пузырьков. Использованием только таких добавок без воздухововлекающнх компонентов не удается достичь заметного повышения морозостойкости бетона .
Сульфатостойкость бетона. Водопонижающие добавки способствуют повышению сульфатостойкости в той мере, в какой они, снижая водоцементное отношение, увеличивают непроницаемость бетона и, уменьшая расход цемента, понижают содержание алюминатной фазы. Эти добавки улучшают сульфатостойкость и в том случае, если их вводят для повышения удо-бообрабатываемости смеси при постоянном водоцементном отношении вследствие ее большей гомогенизации и снижения числа раковин в бетоне.
Выщелачивание из цементного камня. Этот процесс, вызываемый фильтрацией воды через бетон (особенно мягкой, или с повышенной кислотностью, или богатой СО2), может быть существенно уменьшен с помощью водопонижающих добавок вследствие повышения непроницаемости бетона. Поэтому рекомендуется вводить подобные добавки, в том числе и тогда, когда они, аналогично описанному выше случаю с сульфатной агрессией, повышают гомогенность бетона и снижают опасность образования в нем раковин.
Действие хлоридов на бетон и коррозию стали. Хлорид-ионы могут попасть в бетонную смесь либо из ее компонентов, включая добавки, либо при последующей эксплуатации бетона. Общее количество хлоридов лимитируется: для преднапряженного железобетона — 0,06%, для железобетона с ненапряженной арматурой — 0,1 % при эксплуатации во влажной среде, содержащей хлориды, и 0,15 % — в той же среде, но без хлоридов. В некоторых случаях содержание хлоридов в добавках должно быть весьма незначительным или практически равно нулю. Однако повышение непроницаемости бетона, обеспечиваемое введением добавок-водопонизителей, позволяет снизить требования к максимально допустимому содержанию хлоридов. Хлорид-ионы могут проникать в бетон из морской воды или с противогололедными реагентами. Для снижения потенциальной опасности коррозии арматуры в подобных условиях, помимо ограничений по содержанию хлоридов, должны быть обеспечены определенные толщина и непроницаемость защитного слоя бетона. Показано, что при этом и в результате уплотнения бетона сильно снижается диффузия в него хлорид-ионов, причем применение добавок-водопонизителей оказывается полезным для решения обеих задач.
Щелочная коррозия заполнителя. Хорошо известно, что воздействие щелочей на реакционно-активный кремнезем происходит во влажных условиях; поэтому все мероприятия, направленные на уменьшение времени пребывания в воде бетона с заполнителем, потенциально склонным к щелочной коррозии, следует считать полезными для повышения долговечности конструкций.