Бетон с поверхностно-активными добавками
Поверхностно-активные добавки, будучи введены в бетонную смесь при затворепии, улучшают свойства бетона, повышают его водонепроницаемость.
Небольшая доза поверхностно-активных веществ, введенная в строительные растворы и в бетонную смесь, позволяет изменять структуру материалов в широких пределах. А без этого, как известно, невозможно улучшить и технические свойства этих материалов.
По своему действию поверхностно-активные добавки
разделяются на гидрофобизующие, призванные уменьшать смачивание поверхности частиц цемента
водой, и гидрофилизующие, «связывающие»
воду, не допускающие перемещения ее в тонких капиллярах.
Гидрофобизующие добавки отличаются высокой поверхностной активностью. К ним относятся — абиетат натрия различные сорта канифолевого мыла, мылонафт, олеаты (мыло на основе растительных масел), а также мыло, получаемое из древесного пека, и др.
Механизм, вызывающий уменьшение смачиваемости поверхности частиц цемента водой, довольно прост: карбоксильные группы, входящие в состав добавки, вступают в соединение с поверхностью частиц цемента. Таким образом, на поверхности образуется нерастворимое кальциевое мыло. Проникая в окружающую среду, углеводородные остатки молекулы этого мыла создают на поверхности частиц своеобразную щетинку (ворс), которая выполняет весьма полезную функцию, препятствуя смачиванию частиц водой.
Гидрофобизующие добавки способствуют равномерному вовлечению воздуха (в виде высокодисперсной эмульсии), уменьшающего взаимное трение между частицами компонентов бетонной смеси. Этот же воздух, выполняющий функции смазки, оказывает тем самым пластифицирующее действие. Поэтому в практике бетонных работ гидрофобизующие добавки называют «воздухововлекающими добавками».
Эти добавки существенно не влияют на прочность сцепления бетона с арматурой но снижают водопотребность цементного теста и несколько удлиняют сроки схватывания. Они резко повышают морозостойкость и водонепроницаемость бетона, уменьшая вместе с тем его усадку, и значительно повышают солестойкость цементных растворов и бетонов.
Испытания проводились методом погружения образцов в агрессивные жидкости со сроками испытания — 1, 3, 6 и 9 месяцев. Результаты показали, что портланд-цементные растворы (приготовленные при соотношении 1:3), затворенные на чистой воде, в агрессивных жидкостях почти полностью разрушались, в то время как образцы с добавкой абнетата натрия при длительном хранении в агрессивных жидкостях оказались весьма стойкими, показав рост прочности в соляном растворе и в раствора.
Портланд-цементные растворы, приготовленные с добавкой абиетинового мыла и хлористого кальция, в 5-процентном растворе сернокислого магния дали незначительное снижение механической прочности.
Аналогичные результаты были получены доктором технических наук В. В. Стольниковым при испытании образцов цементных растворов, приготовленных с добавкой абнетата натрия, в насыщенном растворе Na2S04.
Из сказаннбго следует, что абиетат натрия и отдельно и вместе с хлористым кальцием существенно повышает солестойкость цементных растворов. Оптимальные его дозировки должны быть в несколько раз меньше добавок мыла из древесного пека и мылонафта, имеющих низкую поверхностную активность и пенообразующую способность.
Исследованиями и производственной практикой доказано, что оптимальной является добавка абнетата натрия в количестве 0,05% и 0,075% хлористого кальция к весу цемента из расчета на твердое вещество.
При таком количестве добавки значительно повышается пластичность, водонепроницаемость и морозостойкость цементных растворов и бетонов, но вместе с тем несколько снижается их механическая прочность. Хотя эго снижение и не является столь значительным, все же некоторые исследователи рекомендуют с целью компенсации потери прочности помимо абнетата натрия вводить до 2% хлористого кальция; последний в небольшой степени повышает механическую прочность бетона в начальные сроки твердения.
При совместной добавке абиетата натрия и хлористого кальция можно получить более высокие прочностные показатели. Причем эффект может быть значительно большим, если ввести хлористый кальций в минимальном количестве, обеспечивающем лишь полную реакцию с абнетатом натрия.
Исследованиями кандидата технических наук В. Д. Кузьмина установлено, что для полной реакции с абнетатом натрия, введенным в бетонную смесь п количестве 0,05% от веса цемента, необходимо брать 0,075% хлористого кальция, считая на сухое вещество. Этими же исследованиями получены и другие, не менее важные результаты. При расходе цемента от" 260 до 300 кг/ж3 и уплотнении бетонной смеси обычными способами вибрации благодаря этой добавке можно получить практически водонепроницаемые бетоны. Это подтверждалось тем, что образцы бетона — цилиндры размером 15 X 15 см не пропустили воду даже при давлении в 50 ати.
Практически водонепроницаемость бетона была достигнута путем снижения количества воды затворенпя благодаря пластифицирующему действию добавки при необходимой технологической подвижности смеси. Этому также способствовало уплотнение бетонной массы вибрацией, когда большинство воздушных капилляров превращается в замкнутые шаровидные поры, и водоотталкивающее действие гидрофобизированной поверхности пор и капилляров.
Таким образом, преимущества гидрофобизующих
добавок сводятся к следующему: они несколько замедляют сроки схватывания цемента; увеличивают подвижность бетонной смеси и цементных растворов, что дает возможность при постоянной удобоукладываемости применять меньшее водоцементное отношение; снижают водоотделение; несколько уменьшают усадочные явления в бетоне; повышают сопротивляемость бетонных смесей расслоению и не влияют на сцепление бетона с арматурой.
При использовании этих добавок количество вовлеченного в бетонную емгеь воздуха возрастает, что способствует изменению формы н структуры пор. Нарастание прочности бетона в начальный период несколько замедляется. Водонепроницаемость, морозостойкость и солестойкость бетонов повышаются.
Гидрофилнзующне добавки оказывают непосредственное пластифицирующее действие на частицы цемента, образуя на поверхности зерен водные пленки. При этом гидратация цемента и нарастание механической прочности в начальные сроки твердения несколько замедляются. Впоследствии они не препятствуют нарастанию прочности.
К гидрофилизующим добавкам прежде всего нужно отнести сульфитно-спиртовую барду (ССБ), которая увеличивает подвижность цементных растворов н бетонов. Это позволяет в свою очередь уменьшить водоцементное отношение при сохранении необходимой удобоукладываемости. При достижении бетоном 7-дневного возраста ССБ замедляет выделение тепла при гидратации цемента; повышает прочность, морозостойкость и водостойкость при неизменном расходе цемента п снижении водонемептпого отношения; способствует сохранению однородности бетонной смеси при перевозках за счет повышения связности; не оказывает существенного влияния на сцепление бетона с арматурой; несколько замедляет сроки схватывания цемента, причем замедление возрастает с увеличением количества вводимой добавки.
Дальнейшими исследованиями Е. Д. Кузьмина была установлена возможность и эффективность совместного применения гидрофобных и гидрофильных добавок, а именно абиетата натрия и сульфитно-спиртовой барды; в этом случае последняя способствует образованию
мелкой кристаллической структуры цементного камня и несколько повышает прочность.
По данным некоторых исследователей, введение ССБ в количестве 0,2% при помоле цементного клинкера оставляет без изменений такой важный показатель, как водопроницаемость бетона. Но если ввести эту добавку при затворении бетонной смеси, то водонепроницаемость бетона повышается. Абиетат натрия, хотя несколько и снижает его прочность, благодаря образованию замкнутой пористости и гидрофобизации поверхности капилляров повышает водонепроницаемость бетона.
На практике наилучшие результаты были получены при совместном введении 0,15% сульфитно-спиртовой барды и 0,02% абиетата натрия (от веса цемента). При этом водонепроницаемость и морозостойкость бетона значительно повышаются, а прочность его остается неизменной.
Для подтверждения этих результатов были проведены лабораторные испытания. Водонепроницаемость бетона определялась на образцах в виде усеченных конусов (высота и верхний диаметр составляли 15, а нижний— 19 см) при помощи прибора Амслера. Этот прибор позволил осуществить регулирование давления воды в пределах от 0 до 50 ати.
Испытанию подвергались бетонные конусы в 7-дневном возрасте, предварительно находившиеся в течение суток в условиях влажного и в течение 6 дней — водного хранения (без форм). К моменту испытаний боковая поверхность образцов была покрыта расплавленным битумом, а затем образцы запрессовывались в горячие формы и устанавливались на прибор. Давление повышалось через каждые 24 часа. Сравнительная оценка водонепроницаемости бетона производилась по максимальному давлению, которое выдерживали образцы без признаков просачивания воды.
В качестве вспомогательного фактора характеризующего до некоторой степени капиллярную влагопроницаемость, было исследовано водопоглощение бетона. Кроме того, сопоставление данных водонепроницаемости, морозостойкости и прочности позволило дать более объективную оценку влияния на свойства бетона различных добавок.
Оптимальные дозы сульфитно-спиртовой барды — 0,15%, абнетата натрия — 0,02% от веса цемента в качестве добавки в бетонную смесь с целью повышения водонепроницаемости бетона устанавливались в процессе испытания цементно-песчаных растворов, а затем уже на бетонах.
Совместное введение этих двух добавок дало весьма положительные результаты.
При совместном введении абиетата натрия и хлористого кальция получается новое соединение — абнетат кальция, по-видимому более плотно бронирующее минерализованные пузырьки воздуха, так как водонепроницаемость бетона в этом случае оказывается выше предела, установленного многими исследователями.
Повышение морозостойкости бетона с добавкой только абиетата натрия и его совместной добавки с хлористым кальцием подтверждается и другими исследованиями.
Прочность на сжатие бетона с добавкой абиетата натрия и хлористого кальция по общепринятому положению находится в зависимости от количества вовлеченного воздуха. Некоторые исследователи считают, что на каждый процент увеличения содержания воздуха
в бетоне прочность его на сжатие снижается на 3,5%, а на растяжение — на 2—3%.
Исследованиями В. В. Стольникова, Ю. М. Бутта совместно с Т. И. Берковнчем доказано, что эта зависимость не является пропорциональной, так как, например, при малых расходах цемента (150—190 кг/м3) прочность бетона возрастает. По данным В. Ф. Журавлева, при совместной добавке абиетата натрия н хлористого кальция к бетону прочностные показатели образцов в 6-месячном возрасте становятся одинаковыми с контрольными.