Влияние воздухововлечения на свойства бетонной смеси
Механизм воздухововлечения. Вовлечение воздуха происходит на стадии перемешивания смеси, причем добавки лишь стабилизируют воздушные пузырьки, образовавшиеся в смеси при ее перемешивании. В этом случае происходят как бы два процесса. Один из них заключается в захвате воздуха при перемешивании, который диспергируется затем на пузырьки меньших размеров на стадии приложения сдвиговых нагрузок, зависящих от конструкции бетоносмесителей. Второй процесс, в котором участвует заполнитель, носит название пространственного заслона; он нужен для захвата и фиксации пузырьков воздуха при всевозможных перемещениях бетонной смеси в процессе перемешивания. Таким образом, термин «воздухововлекающие добавки» не вполне удачен, так как при приготовлении бетонной смеси в ней оказывается некоторое количество воздуха, которое зависит от условий ее перемешивания и указанных выше функций заполнителя.
Главное, что обеспечивает введение так называемых воздухововлекающих добавок,— повышение содержания пузырьков воздуха по сравнению со смесью без добавок и уменьшение их размеров. Иными словами, следует различать возду-хововлечение как процесс и систему воздушных пор (объем пор и характер распределения по размерам), имея в виду, что воздухововлекающие добавки в бетоне уменьшают размеры пузырьков воздуха и способствуют их сохранению в бетоне.
При отсутствии воздухововлекающих добавок пузырьки воздуха, попавшие в бетонную смесь, в большинстве случаев сравнительно быстро коалесцируют и улетучиваются из нее.
Стабилизирующее действие воздухововлекающих добавок обеспечивается благодаря их адсорбции на поверхности воздушных пузырьков. Молекулы ПАВ ориентированы полярными функциональными группами в сторону воды, а неполярными — в сторону пузырьков воздуха, которые, заряжаясь одноименно, отталкиваются один от другого, что препятствует их коалесценции. Механизм этого процесса аналогичен эмульгирующему и стабилизирующему эмульсии действию ПАВ.
Еще один результат действия подобных добавок — их ориентация на межфазной границе вода — пузырьки воздуха толщиной в несколько молекул в виде так называемого частокола. Это также стабилизирует воздушные пузырьки. Подобный механизм «срабатывает» и в том случае, когда используют неионогенные ПАВ и на поверхности пузырьков не возникают одноименные заряды. Возможно, однако, что поэтому неионогенные вещества обладают более слабым возду-хововлекающим действием и в их присутствии пузырьки воздуха крупнее, чем при введении ионогенных ПАВ.
Следует отметить, что воздухововлекающие ПАВ, сорбируясь на границе раздела воздух—жидкость, уменьшают величину поверхностного натяжения последней, а это в конечном счете повышает термодинамическую устойчивость пузырьков, так как в результате снижается тенденция к их коалесценции. Кроме того, при снижении величины поверхностного натяжения с помощью ПАВ удается диспергировать крупные пузырьки воздуха при меньших усилиях. Поскольку способность пузырьков воздуха всплывать на поверхность, а отсюда, по-видимому, и тенденция к потере жизнеспособности прямо пропорциональны кубу их размеров, уменьшение диаметра пузырьков обеспечивает их большую сохранность.
Образование адсорбционных слоев и соответственно понижение поверхностного натяжения могут обеспечить увеличение прочности пузырьков воздуха против механических деформаций и повреждений за счет так называемого эффекта Марангони. Он проявляется в способности деформированных пузырьков к восстановлению формы вследствие уменьшения толщины адсорбционного слоя и соответственно местного увеличения поверхностного натяжения. Аналогичный механизм определяет стабилизацию пен.
Следующая причина воздухововлекающего действия анионактивных ПАВ, по-видимому, связана с их выпадением в осадок под влиянием жидкой фазы бетонной смеси. Практическое значение имеет содержание гидроксида кальция, образующего с ПАВ труднорастворимые кальциевые соли, так как (в результате гидратации цемента) уже через несколько минут раствор оказывается перенасыщенным относительно Са(ОН)2. Поскольку в результате адсорбции концентрация ПАВ у поверхности пузырьков выше, чем в объеме, логично предположить, что соответственно и пленки труднорастворимых солей, стабилизирующие пузырьки, также имеют достаточную толщину и прочность, чтобы предохранить эти пузырьки от коалесценции . Подобный эффект используют и для стабилизации пены; при этом применяют коллоиды животного происхождения, образующие вокруг пузырьков газовой фазы прочные пленки.
Из сказанного можно заключить, что если в труднорастворимые соли связывается практически все количество введенной добавки, то ее почти не остается в жидкой фазе для понижения поверхностного натяжения. Из-за ограниченного числа экспериментальных данных этот вопрос носит дискуссионный характер: одни авторы соглашаются с тем, что от таких добавок нельзя требовать снижения величины поверхностного натяжения жидкой фазы, другие — что должно оставаться некоторое количество несвязанной добавки для обеспечения удовлетворительного воздухововлечения.
Следует помнить, однако, что многие воздухововлекающие добавки представляют собой смеси ПАВ, одна часть которых связывается в труднорастворимые соединения, а другая остается в жидкой фазе и снижает поверхностное натяжение. Кроме того, известно, что неионоген-ные и катионактивные вещества, которые не образуют труднорастворимых соединений в цементных системах, тоже способствуют воздухововлечению. То же самое можно сказать и о тех анионактивных веществах, кальциевые соли которых водорастворимы, например о сульфопроизводных: они обладают хорошим воздухововлечением. Таким образом, можно предположить, что механизм, предусматривающий формирование вокруг пузырьков воздуха пленок из труднорастворимых соединений, существенной роли в воздухововлечении не играет.
Еще один путь стабилизации системы пузырьков — адсорбция ПАВ на частицах цемента. После контакта с водой частицы цемента быстро покрываются экранирующими их продуктами гидратации, состоящими преимущественно из гидросиликатов кальция. Эти пленки из-за малой проницаемости для воды способствуют появлению индукционного периода при гидратации цемента, соответствующего (округленно) времени до начала схватывания и до закрепления системы воздушных пузырьков в бетонной смеси.
Продукты гидратации цемента заряжены положительно, что обусловлено адсорбцией кальций-ионов. Высказано предположение, что воздухововлекающие вещества адсорбируются затем на этих заряженных частицах за счет сил электростатического притяжения, т. е. отрицательно заряженными ионами анионактивных ПАВ. В результате обеспечивается гидрофобизация твердых частиц; такие частицы фиксируются на пузырьках, и, поскольку их размеры значительно меньше, чем размеры пузырьков, они экранируют пузырьки, препятствуя тем самым коалесценции. Этот процесс аналогичен процессу флотации, применяемой при обогащении руд.
После образования системы воздушных пузырьков происходят дальнейшие процессы, которые влияют на окончательное формирование поровой структуры в затвердевшем бетоне. Эти процессы состоят из растворения пузырьков воздуха и их диффузионного переноса.
Таким образом, в маленьких пузырьках давление может быть значительным. Поскольку растворимость газов в жидкости пропорциональна их давлению, то и концентрация воздуха в жидкой фазе вблизи маленьких пузырьков выше, чем вблизи более крупных. Поэтому происходит диффузионный перенос газа в соответствии с градиентом концентрации, что в конечном счете приведет к перемещению воздуха от мелких пузырьков к более крупным и, следовательно, к смещению кривой их распределения вправо, т. е. в сторону этих последних. Практически это означает, что самые мелкие пузырьки воздуха исчезнут. Ориентировочные расчеты, выполненные в соответствии с законом Генри и коэффициентом распределения Генри для растворения воздуха в воде, показывают, что диаметр таких пузырьков должен быть примерно 4 мкм. По-видимому, этот приближенный расчет справедлив, так как микроскопическое определение показало, что в затвердевшем бетоне отсутствуют пузырьки меньших размеров.
Факторы, влияющие на количество вовлеченного воздуха. Как отмечалось ранее, общее количество воздуха в бетоне — не самая важная характеристика для оценки его морозостойкости, но единственная из возможных для бетонной смеси. Одной из самых значимых характеристик считается «фактор расстояния» между пузырьками: чем он ниже, тем выше долговечность бетона.
Дозировка добавок. С увеличением содержания добавок возрастает и количество в бетоне вовлеченного воздуха. Для большинства добавок эта зависимость носит параболический характер и имеет тенденцию к достижению определенного уровня при значительном их содержании. Однако не существует строгого соотношения между количеством введенной добавки и степенью воздухововлечения: одни добавки могут оказаться более эффективными, другие менее.
Осадка конуса. Чем выше осадка конуса бетонной смеси, тем больше воздухововлечение. Так, увеличение осадки конуса примерно до 75 мм способствует повышению содержания воздуха на 1 %; чем больше воды в бетонной смеси, тем она более подвижна, поэтому воздуху легче оказаться в смеси при перемешивании. Однако если осадка конуса составляет более 175 мм, воздух легко удаляется при перемешивании и укладке бетонной смеси, т. е. снижается воздухосодержание.
Влияние крупного заполнителя. С повышением максимальных размеров заполнителя содержание воздуха в бетоне снижается. Согласно АО-методу подбора состава бетона, можно вовлечь 7,5 % воздуха при использовании заполнителя размером фракции около 10 мм и только 5 % — размером 50 мм. Этот результат косвенный, поскольку максимальный размер заполнителя подбирается с учетом растворной части бетонной смеси, причем эта зависимость обратно пропорциональная.
Влияние мелкого заполнителя. Мелкие заполнители способствуют воздухововлечению благодаря тому, что, во-первых, служат «ловушкой» для воздуха, и, во-вторых, удерживают его. Наличие воздухо-вовлекающих добавок стабилизирует образовавшуюся систему воздушных пор. Чем больше содержание песка в общем количестве заполнителей, тем выше содержание воздуха в бетонной смеси. Однако помимо этого понятного соотношения следует учитывать еще и эффект размера и гранулометрического состава частиц, проявляющийся наиболее сильно в тощих бетонных смесях.
Установлено, что максимальное воздухосодержание обеспечивают фракции песка со средними размерами от 150 до 600 мкм. Для более жирных бетонных смесей роль заполнителей в образовании воздушной полости менее существенна. Иногда влияние различных характеристик песка на содержание воздуха в бетонной смеси трудно понимаемо. В некоторых случаях проблему можно решить путем применения песка других месторождений. Песок — наиболее важный фактор воздухововлечения, и подчеркивается необходимость контроля за его однородностью.
В случае если песок загрязнен примесями природного происхождения или промышленными, воздухововлечение может измениться в сторону как увеличения, так и уменьшения.
Влияние высокодисперсных материалов. Присутствие таких дисперсных материалов, как зола-унос, других минеральных добавок и пылеватых фракций песка снижает воздухововлечение и требует поэтому увеличения содержания воздухововлекающих ПАВ. Действие подобных минеральных материалов, по-видимому, двояко: во-первых, на их смачивание требуется значительное количество воды, которая вследствие этого уже не может выполнять воздухововлекающие и воздухоудерживающие функции; во-вторых, на высокодисперсных материалах сорбируется больше молекул воздухововлекающих добавок, и это тоже отражается на содержании воздуха в смеси. Это относится и к золам, характеризующимся большими потерями при прокаливании из-за значительного содержания в них несгоревших частиц угля. Чтобы компенсировать сильное снижение содержания воздуха, необходимо ввести в бетонную смесь дополнительное количество воздухововлекающих добавок.
Аналогичная проблема может возникнуть при использовании загрязненного песка: его применение приводит к необходимости существенного увеличения дозировки воздухововлекающих добавок. Для жирных бетонных смесей, т. е. смесей с повышенным содержанием цемента, также характерно снижение воздухововлечения, особенно если используют высокодисперсный цемент.
Влияние температуры. Чем выше температура бетонной смеси, тем меньше в ней воздуха. Это справедливо и в том случае, если водоцементное отношение изменяют таким образом, чтобы сохранить неизменной осадку конуса. Хотя в принципе можно ожидать, что при повышении температуры в бетонной смеси будет содержаться меньше воздуха, однако детали, раскрывающие природу этого эффекта, недостаточно ясны. Этот результат более важен для высокого значения осадки конуса смеси. Так, при осадке конуса смеси 175 мм повышение температуры на 15 °С снижает содержание воздуха на 1 %, тогда как при осадке 25 мм такое же изменение температуры практически не влияет на содержание воздуха в смеси.
Влияние других добавок. При введении лигносульфонатов в качестве пластифицирующих или замедляющих схватывание цемента добавок требуется меньше воздухововлекающих веществ для обеспечения заданного содержания воздуха. Это объясняется тем, что лигносульфонаты сами обладают некоторым воздухововлечением.
Хлорид кальция немного повышает содержание воздуха в присутствии воздухововлекающих добавок, однако этот эффект незначителен. Хлорид кальция, как и все другие вещества, следует вводить отдельно от воздухововлекающей добавки.
Влияние химического состава цемента. Цементы с высоким содержанием щелочей легче вовлекают воздух, чем с низким, поэтому для смесей на них требуется меньше воздухововлекающих добавок (однако следует контролировать фактор расстояния между пузырьками). Исследования показали, что высокое содержание щелочей в цементе приводит к возрастанию фактора расстояния при использовании в качестве воздухововлекающей добавки винсоловой смолы и к понижению — при введении лигносульфонатов.
Возможны случаи загрязнения цемента маслами или другими веществами, влияющими как на увеличение, так и на уменьшение воздухововлечения. Это может быть причиной различия в воздухововлечении при изготовлении бетона на цементе одинакового состава. Некоторые виды цемента чувствительны к тем или иным агентам, хотя причины этого труднообъяснимы; соответственно возникают трудности в исключении этого явления путем замены цемента или применения добавок.
Влияние условий перемешивания. С увеличением интенсивности перемешивания смеси растет и содержание в ней воздуха, которое может превысить допустимое. Удлинение сроков перемешивания сначала приводит к незначительному повышению воздухововлечения, но дальнейшее перемешивание вызывает снижение содержания воздуха в смеси, причем время достижения максимума наступает тем раньше, чем меньше начальная осадка конуса. Понижение воздухосодержания при продолжительном перемешивании, по-видимому, можно связать с наблюдающимся при этом уменьшением подвижности смеси.
Загрязнение лопастей мешалки, в том числе затвердевшим бетоном, уменьшает содержание воздуха, равно как и работа бетоносмесителя с перегрузкой.
Вибрация бетонной смеси. Вибрация снижает содержание воздуха, поскольку при этом возможно слияние крупных пузырьков. Более продолжительное вибрирование смеси слабо изменяет фактор расстояния, хотя содержание воздуха при этом ощутимо уменьшается. Это обстоятельство важно для получения прочного бетона в результате отсутствия расслоения смеси.
Подбор бетонной смеси с заданным содержанием воздуха. Два принципиальных фактора отличают технологию подбора смеси с заданным воз-духововлечением от аналогичной технологии, не требующей воздухововлечения. Первый из них — воздушные пузырьки повышают подвижность смеси, второй — они снижают прочность бетона. Благодаря повышению подвижности нужно вводить в смесь меньше воды для сохранения неизменной величины осадки конуса. При подборе состава бетона методом аб солютных объемов требуется также уменьшение объема мелкого заполнителя. Для сравнительно жирных и поэтому достаточно прочных бетонов повышение их прочности вследствие снижения водоцементного отношения перекрывает снижение прочности вследствие воздухововлечения, а для более тощих — наоборот. Следовательно, при подборе составов бетонов следует ориентироваться на некоторое повышение расхода цемента.
Влияние воздухововлечения на свойства бетонной смеси. Воздухововлечение, повышая подвижность смеси, улучшает технологичность: ее легче транспортировать, укладывать и формовать без расслоения. Этот эффект вызван «подшипниковым» действием пузырьков воздуха, которых содержится около четверти миллиона в 1 см3 цементного теста. Реологические характеристики бетонной смеси можно измерить, например, используя такие параметры, как пластическая вязкость и др, однако пока еще имеется мало данных о влиянии на них воздуха. Удобообрабатываемость в результате воздухововлечения улучшается для любых бетонных смесей, но особенно высок этот эффект при работе с жесткими смесями на природных легких заполнителях.
Водоотделение и расслоение. Наличие в бетонной смеси воздуха уменьшает опасность водоотделения и расслоения. Отделение твердой фазы может приводить к образованию каналов, расположенных по вертикали и заполненных водой. В отдельных случаях отделившуюся воду удается вновь ввести в состав бетонной смеси при ее последующей укладке, в других — образуется затвердевшая корка и вода оказывается под этим затвердевшим бетоном в виде каверн, ослабляющих материал. Решение одной из важнейших проблем, связанных с водоотделением, — своевременное возвращение воды в бетонную смесь — облегчается с помощью воздухововлечения.
Сегрегация (расслоение) — разделение твердых частиц бетонной смеси вследствие различия их гранулометрического состава — проявляется либо при транспортировании смеси, либо при уходе за нею. Воздухововлечение в бетонную смесь уменьшает опасность расслоения, хотя этот прием нельзя рассматривать как метод борьбы с расслоением. Детали механизма, ответственного за положительное влияние воздухововлечения на водоотделение и расслоение смеси, еще недостаточно ясны. По-видимому, пузырьки воздуха, вовлеченные при использовании ПАВ, улучшают когезионные свойства и гомогенизируют неустойчивые смеси. Кроме того, они повышают их жизнеспособность, уменьшая тенденцию к расслоению. Наконец, пузырьки воздуха, занимая примерно четвертую или пятую часть цементного теста в смеси, уменьшают ее расслоение и водоотделение, т. е. выполняют примерно те же функции, что и частицы песка. Однако в связи с тем, что адсорбционные пленки введенных ПАВ тормозят осушение пен, воздухововлечение играет большую роль, чем частицы песка.
Влияние воздухововлечения на отделочные операции. Бетонные смеси, содержащие воздух благодаря введению добавок, обычно труднее поддаются отделке, так как они обладают большей «связностью» и меньше выделяют воды. Однако при использовании соответствующих приспособлений отделочные операции с такими составами не вызывают особых затруднений. Кроме того, следует принимать во внимание, что в связи с уменьшением опасности водоотделения проведение таких операций упрощается, а поверхности оказываются более долговечными. Воздухововлечение не влияет на сроки схватывания цементов в бетонной смеси.
Определение воздухосодержания. Известны три метода для определения содержания воздуха в смеси: гравиметрический (С 138), под давлением (С231) и волюмометрический (С 173). Первый из них включает взвешивание пробы для определения ее истинной плотности. Значение состава смеси и истинной плотности ее компонентов позволяет рассчитать содержание воздуха. Этот метод обычно не используют при полевых испытаниях.
Наиболее широко распространен второй метод, основанный на законе Бойля. Пробы бетонной смеси помещают в контейнер, затем его соединяют с другим, в котором предварительно создают заданное давление. Степень понижения давления зависит от воздухововлечения в пробах: манометр обычно тарируют таким образом, чтобы по его показаниям непосредственно получить данные о воздухосодержании в пробах.
Основной недостаток этого метода состоит в том, что не удается отделить воздух, вовлеченный в бетон, от воздуха, который содержится в заполнителе. Поэтому приходится вводить поправочный коэффициент, значение которого находят заранее, помещая в контейнер только заполнитель. Ошибка при введении поправочного коэффициента для пористого заполнителя значительна, поэтому для легких бетонов этот метод не рекомендуется.
При волюмометрическом методе пробу закрепляют в верхней половине контейнера, нижнюю половину которого (конической формы) заполняют водой до метки на мерном стекле. Затем контейнер встряхивают и по изменению уровня жидкости вычисляют воздухосодержание. Метод пригоден и для измерения воздухосодержания в легких бетонах.
Существует мини-вариант метода, основанный на том же принципе, но образцы представляют собой растворную часть, отобранную из бетонной смеси (объем образцов всего несколько см3). Методология работы с таким прибором предусматривает его калибровку по «стандартному» растворному образцу, отобранному из бетонной смеси; поскольку анализируемые пробы существенно отличаются от взятой для калибровки, этот метод менее точен и дает больший разброс результатов. Его достоинство — быстрота измерения.
В другом варианте волюмометрического метода предусмотрено введение малых доз спиртов в воду для пеногашения, что повышает точность измерения. Однако волюмометрическая жидкость не должна быть на спиртовой основе из-за его контракции при смешении с водой. Это приводит к систематической ошибке — определению повышенного против реального содержания воздуха в образцах.
Как уже указывалось, общее воздухосодержание — не самая важная характеристика бетонной смеси. Другие факторы (геометрические — размеры заполнителей и их соотношение) значительно важнее, однако пока их удается определить только в затвердевшем бетоне.