Добавки к бетону и строительному раствору
С развитием технологии бетона все большее распространение получают различного рода добавки, которые улучшают свойства бетонной смеси и повышают качество затвердевших бетонов и строительных растворов. В зависимости от функционального назначения и достигаемого эффекта различают следующие добавки: регулирующие реологические свойства бетонных смесей, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетонов, регулирующие пористость бетона, придающие бетону специальные свойства, сокращающие расход цемента, добавки полифункционального действия.
Добавки для регулирования реологических свойств бетонных смесей широко применяют при изготовлении бетона и строительного раствора. Важнейшее свойство этих смесей — удобоукладываемость. Удобоукладываемые смеси способны равномерно заполнять заданный объем бетонируемой конструкции под действием силы тяжести либо специально прикладываемых внешних сил — вибрации, штыкования, трамбования. При транспортировании бетонной смеси по бетоноводам, укладке в опалубку она может расслоиться. Чтобы этого не произошло, необходимо обеспечить заданные характеристики пластичности и вязкости смесей. Изучением пластично-вязких и упругих свойств бетонных смесей занижается наука — реология. Эта наука изучает закономерности течения и деформаций вещества, и в частности бетонных смесей и раствора. Реологические свойства бетонных смесей (пластическая вязкость, структурная Ьрочность, предельное напряжение сдвига) могут быть изменены путем введения добавок.
В группе таких веществ выделяют пластифицирующие, стабилизирующие и водоудерживающие добавки. Пластифицирующими называют добавки, увеличивающие подвижность (или уменьшающие жесткость) бетонных смесей без снижения прочности бетона. Подвижность бетонных смесей характеризуется усадкой стандартного конуса, выражаемой в сантиметра. Для определения пластифицирующего эффекта добавки изготовляют бетонную смесь с осадкой конуса 2...4 см. При введении добавки осадка конуса возрастает. В зависимости от полученного результата добавку относят к одной из следующих четырех групп:
I группа — суперпластификаторы, увеличивающие осадку конуса с 2...4 до 20 см и более;
II группа — сильнопластифицирующие, повышают осадку конуса до 14...19см;
III группа — среднепластифицирующие, осадка конуса 9...13 см;
IV группа — слабопластифицирующие, осадка конуса менее 8 см.
Пластифицирующие добавки представляют собой поверхностно-активные вещества. По характеру действия различают гидрофильно-пластифицирующие и гидрофобно-пластифицирующие добавки. Из числа гидрофильно-пластифицирующих наиболее часто применяют добавку ЛСТ (прежнее название СДБ). По химическому составу — это кальциевая соль лигносульфоновой кислоты с примесью минеральных веществ. Поставляется обычно в жидком виде с содержанием сухого вещества около 50 %, иногда — в твердом виде при 80 %-ном содержании сухого вещества. ЛСТ легко растворяется в воде. Для пластификации бетонной смеси и раствора ее вводят в небольшом количестве — 0,1...0,5 % от массы цемента. В расчете на 1 м3 бетона расход добавки составляет всего 0,5... 1 кг.
Особенно эффективно использовать ее в жирных бетонных смесях, т.е. смесях с большим содержанием вяжущего. При введении ЛСТ и других пластифицирующих добавок можно повысить подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси и раствора при сохранении количества цемента и заданной прочности бетона; уменьшить расход воды, а количество цемента оставить прежним (при этих условиях прочность бетона увеличивается); уменьшить расход воды и цемента при сохранении прежней удобоукладываемости (прочность бетона останется неизменной, но расход цемента сократится на 8...10 %).
К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относят мылонафт (натриевую соль нафтеновых кислот), асидол-мылонафт, гидрофобизу-ющие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11. Эти добавки рекомендуется применять в тощих бетонах и растворах, отличающихся малым расходом цемента. После укладки и затвердевания бетона такие добавки, адсорбируясь в порах, придают бетону водоотталкивающие свойства (гидрофобизуют бетон). В результате сильно уменьшается водопоглощение бетона, одновременно возрастают морозостойкость и сопротивляемость бетона коррозии. Применение таких добавок — эффективный способ повышения долговечности бетонных и железобетонных конструкций.
На базе производных меламиновой смолы выпускают суперпластификатор 10-03. Суперпластификаторы 30-03 и НСП — производные нафталинсульфокислоты. В ряде добавок используют вторичные продукты химического синтеза: ОП-7, 20-03, СПД. К числу суперпластифицирующих относят и модифицированные технические лигносульфонаты (добавка ЛСТМ-2).
Резко увеличивая подвижность бетонных смесей, суперпластификаторы облегчают их транспортирование и укладку. Если необходимо сохранить подвижность, сокращают расход воды в бетонной смеси, а это позволяет получать бетон с высокой прочностью — до 80 МПа. Весьма эффективны суперпластификаторы при перекачивании смесей бетононасосами.
В процессе приготовления строительных растворов применяют кроме названных органических веществ также неорганические пластификаторы — известь и глину. Строительная воздушная известь при гашении в известковое тесто образует чрезвычайно малые частицы, которые обволакиваются водой. Водные пленки облегчают взаимное скольжение частиц, играя роль смазочного материала на их поверхности. Именно этим и обусловлено пластифицирующее действие воздушной извести.
Глина при тщательном перемешивании с водой распадается на тончайшие частицы размером менее 5 мкм и также образует пластичное тесто. В отличие от органических пластификаторов, используемых в чрезвычайно малых дозах, добавки извести или глины вводят в больших количествах, сравнимых с расходом вяжущего вещества.
Рассмотренные поверхностно-активные добавки можно использовать также в качестве стабилизирующих (препятствующих расслоению) и водоудерживающих (уменьшающих водоотделение бетонных смесей и раствора). При транспортировании и укладке может возникнуть расслоение смесей. Если подбором состава не удается достичь заданной стабильности и водоудерживающей способности смесей, то вводят в их состав органические пластификаторы, а при необходимости и тонкозернистые минеральные добавки: пылевидную золу ТЭС, каменную муку. Для сокращения водоотделения литых смесей вводят бентонитовую глину, обладающую свойством удерживать в своей структуре большое количество воды.
Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение ретонов, представляют собой следующие вещества: ускоряющие либо камедляющие схватывание, ускоряющие твердение, противоморозные. В практике бетонных работ часто возникает необходимость в Ускорении или замедлении схватывания и твердения бетона. Например, при возведении сооружений из монолитного бетона и железобетона для интенсификации темпов бетонирования надо, чтобы бетон быстрее набирал распалубочную прочность. Высокая скорость твердения бетона необходима и при аварийно-восстановительных работах. В то же время нередки случаи, когда схватывание бетонной смеси или раствора намеренно замедляют, например при перевозке в автосамосвалах, перекачивании бетононасосами, укладке бетона в жаркую погоду.
Действие ускорителей объясняется тем, что они повышают растворимость Са(ОН)2, выделяющегося при гидратации цемента. Это приводит к дальнейшей гидратации клинкерных минералов и увеличивает, в конечном итоге, количество новообразований в цементном камне. В результате прочность бетона, содержащего добавку-ускоритель, в первые 3...7 сут твердения значительно больше, чем прочность бетона без добавки. Теоретически схватывание и твердение цементных материалов можно ускорять всеми солями щелочных, щелочно-земельных и многовалентных металлов.
На практике чаще используют следующие ускорители твердения бетона: хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН),нитраты кальция (НК) и натрия (НН), а также многокомпонентные добавки: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК). Одна и та же добавка при разной дозировке может оказывать и разное действие, т.е. ускорять либо замедлять твердение бетона. Поэтому концентрацию добавок в бетонной смеси, установленную в строительной лаборатории опытным путем, обязательно выдерживают при изготовлении смеси. Количество добавок составляет 1...3 % от массы цемента. Добавка большого количества ХК вызывает коррозию арматуры. Поэтому при изготовлении железобетонных конструкций количество хлорида кальция, вводимого в бетонную смесь, ограничивают 2 %.
Из замедлителей схватывания лучше всего применять добавки, уменьшающие одновременно водопотребность и расход цемента, а также пластифицирующие бетонные смеси и раствор. В этом отношении хорошие результаты дают органические вещества (ЛСТ) и кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11. Кроме того, употребляют добавку двуводного гипса, слабый раствор серной кислоты. Концентрация добавок колеблется от 0,2 до 2 % и устанавливается в лаборатории. Противоморозные добавки вводят для того, чтобы обеспечить твердение бетона зимой. При отрицательной температуре вода замерзает и гидратация цемента прекращается. Образовавшийся лед разрыхляет еще слабую структуру цементного камня, что вызывает большую потерю прочности бетона.
Чтобы обеспечить твердение бетона на морозе, вводят в бетонную смесь вещества, понижающие температуру замерзания воды. Вода остается в жидком состоянии даже при температуре —15...—20 °С, и процесс гидратации цемента продолжается.
В качестве противоморозных добавок применяют следующие соли: хлорид натрия в сочетании с хлоридом кальция, нитрит натрия, комплексное соединение нитрата кальция с мочевиной.
Добавки, регулирующие пористость бетона, представляют собой воздухововлекающие, газообразующие, пенообразуюшие вещества. Воздухововлекающие добавки — зто поверхностно-активные вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение жидкости (воды). При перемешивании с такими добавками в бетонную смесь вовлекается значительное количество мельчайших воздушных пузырьков, которые как бы увеличивают объем цементного теста. Бетонная смесь, содержащая воздухововлекающую добавку, обладает хорошей удобоукладываемостью и легко перекачивается бетононасосами.
Среди этих добавок чаще используют древесную омыленную смолу (добавка СДО) и нейтрализованную воздухововлекающую смолу (СНВ), а также талловый пековый клей (КТП).
Газообразующие и пено образующие добавки применяют для изготовления ячеистых бетонов (газобетона и пенобетона) . Под действием этих добавок формируется высокопористая структура с большим количеством сферических пор — ячеек. Это газообразователи (алюминиевая пудра, пергидроль) или пенообразователи (сульфонол, гидролизованная кровь).
Добавки, придающие бетону специальные свойства, подразделяют на следующие разновидности.
Добавки, уменьшающие смачивание бетона,— это гидрофобизирующие добавки (мылонафт, кремнийорганические жидкости).
Добавки, изменяющие электропроводность, применяют при производстве бетона электротехнических конструкций. К лучшим относятся добавки технического углерода.
Кроме перечисленных применяют и другие специальные добавки: повышающие защиту от радиации (в конструкциях ядерных энергетических установок); увеличивающие жаростойкость бетона; придающие бетону бактерицидные свойства; повышающие его стойкость против коррозии. Добавки, сокращающие расход цемента, — зто минеральные порошки, которые вводят в бетонные смеси и раствор для экономиии материала. Чаще всего это побочные продукты промышленности: пылевидная зола теплоэлектростанций, доменные и топливные шлаки в тонкомолотом виде.
Добавки полифункционального действия (комплексные) позволяют одновременно управлять несколькими свойствами бетонной смеси и затвердевшего бетона, например повышать пластичность смеси и увеличивать прочность бетона. Это добавки составного типа, включающие в себя несколько компонентов, каждый из которых регулирует одно свойство. Например, комплексная добавка ЛСТ + СНВ пластифицирует бетонную смесь и повышает морозостойкость бетона, добавка ЛСТ + ХК также пластифицирует смесь и ускоряет твердение бетона. Одновременно эта добавка сокращает расход цемента.
Многие из применяемых добавок при неумелом обращении могут оказывать вредное воздействие на работающих. В особенности это относится к ускорителям твердения — хлористым солям. Хлорид кальция весьма опасен для кожи лица и рук. Хлорная известь и ее растворы могут выделять хлор. Они являются сильными окислителями. Попадая в
дыхательные пути, хлор может вызвать тяжелое отравление.
Сильным раздражающим действием на кожу и слизистые оболочки обладают известковое тесто, известковое молоко, кремнийорганические жидкости.
Поэтому к работам по приготовлению и применению химических растворов допускаются только те лица, которые прошли медицинское освидетельствование. Рабочим, не достигшим 18-летнего возраста, работать с химическими веществами не разрешается.
Всех работающих с хлорированными растворами необходимо снабжать спецодеждой и средствами индивидуальной защиты — очками, респиратором или противогазом, рукавицами. Хлорид кальция надо применять только в виде водного раствора (хлорной воды), который берут черпаками на длинных рукоятках.
Помещения, в которых приготовляют химические растворы, должны хорошо вентилироваться и иметь достаточный объем — не менее 40 м на одного работающего при высоте потолка не менее 3,25 м.
Работать с химическими добавками следует только под непосредственным наблюдением технического персонала. При случайном попадании растворов на открытые участки кожи, а также в глаза работающих необходимо промыть поврежденные места большим количеством чистой воды.