Добавки в бетон Справочное пособие

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК-ВОДОПОНИЗИТЕЛЕЙ НА СВЕЖУЮ БЕТОННУЮ СМЕСЬ В ПЛАСТИЧЕСКОЙ СТАДИИ

Добавки-водопонизители су­щественно влияют на реоло­гические свойства свежей бе­тонной смеси: удобоукладывае­мость, прокачиваемость и дру­гие характеристики пластиче­ской стадии (затирка, усадка и время загустевания). Эти из-

Менения в основном вызваны химическим и физическим воз­действием молекул органиче­ских добавок на поверхность гидратирующегося цемента.

3.4.1. Механизм действия. После смешения цемента с во­дой твердые частицы имеют тенденцию слипаться с об­разованием кластеров. Хотя одновременно между ними дей­ствуют и силы электростати­ческого отталкивания, в ре­зультате происходит флокуля - ция частиц. В присутствии до­бавок-водопонизителей класте­ры распадаются на отдельные частицы, т. е. происходит их диспергация. Снижение сил притяжения между частицами приводит также к их большей подвижности.

Высказано много гипотез для объяснения механизма раз­жижающего действия водопо­низителей, вводимых в бетон­ную смесь при постоянном водо - цементном отношении. Основ­ные из них: снижение добав­ками межфазовой энергии; их полимолекулярная адсорбция; повышение электрокинетическо­го потенциала; создание за­щитных слоев из молекул во­ды; освобождение воды, за­щемленной между частицами цемента; снижение скорости гидратации цемента; измене­ние морфологии продуктов гид­ратации цемента.

Все представления, за ис­ключением перечисленных по­следних двух, базируются на диспергирующем действии до­бавок на частицы цемента.

Согласно [53], флокуля - ция — термодинамически вы­годный процесс, поскольку при этом уменьшается величина из­быточной межфазовой энергии. Диспергирование обусловлено адсорбцией молекул добавок, обладающих расклинивающим действием.

Наличие нескольких десят­ков слоев адсорбированных мо­лекул изменяет энергию взаимо­действия между частицами це­мента [55]. Согласно [131], такая полимолекулярная ад­сорбция играет роль стериче- ского стабилизатора частиц. Это важно для понимания дис­пергирующего действия доба­вок, например за счет изме­нения дзета-потенциала.

Электрокинетические изме­рения цементоводных суспензий без добавок показали, что час­тицы цемента не перемещаются в электрическом поле, тогда как в растворе лигносульфона­та они перемещаются в направ­лении анода, что свидетель­ствует об их отрицательном заряде [4]. Это объясняется адсорбцией на твердой фазе аниона добавки и взаимным отталкиванием одноименно за­ряженных частиц, что и при­водит к диспергированию. Ана­логичные результаты получены в работе [13] при использо­вании солей гидроксикарбоно - вых кислот.

Отрицательный заряд по­верхности цемента вызывает соответствующую ориентацию диполей молекул воды, что приводит к образованию гид - ратных оболочек вокруг час­тиц цемента и предотвращает их коалесценцию [53].

Согласно [132], часть той воды затворения, которая в отсутствие добавки была за­щемлена между кластерами из частиц цемента, в результа­те диспергирующего действия добавок высвобождается и обес­печивает повышенную пластич­ность свежей бетонной смеси.

Согласно [30], в присут­ствии лигносульфоната умень­шается количество образующе­гося эттрингита, что само по себе приводит к снижению во - допотребности. Сходная гипо­теза лежит в основе объяс­нения причин пластифицирую­щего действия комплексной до­бавки, состоящей из соды и лигносульфоната. Согласно этой гипотезе, эффект плас­тификации связан с тем, что указанная комплексная добав­ка уменьшает долю образую­щихся гексагональных гидро­алюминатов кальция [29, 32, 34].

Как видно из рис. 3.14 и 3.15, в присутствии лигно­сульфоната наблюдается умень­шение блокирующего действия игольчатых частиц эттрингита, фиксирующих твердую фазу цементного теста, что может быть обусловлено снижением размера кристалликов эттрин­гита. В результате улучшаются реологические показатели раст­ворной и бетонной смесей [30]. Подобная же гипотеза выдви­нута для объяснения пласти­фицирующего эффекта содо- лигносульфонатной добавки, вводимой в клинкерные пас­ты [113].

3.4.2. Водопоиижающее дей­ствие. При введении добавок - водопонизителей наблюдается снижение водопотребности при заданной постоянной подвиж­ности бетонной смеси. Этот эф­фект реализуется либо в повы­шении прочности, либо в умень­шении усадки или расхода цемента (см. рис. 3.1). В ре­зультате можно снизить коли­чество воды затворения на 5— 15 % в зависимости от таких факторов, как вид, дозировка и качество добавки; техноло­гия ее введения; водоцемент - ное отношение и требуемый уровень удобообрабатываемо - сти; вид и качество цемента; вид и содержание в цементе шлаков и зол; объем воздуш­ной фазы.

Из данных табл. 3.14 сле­дует, что глюконат натрия — более эффективная водопони - жающая добавка, чем глюкоза и лигносульфонат [133]. Дей­ствие различных по качеству технических добавок-водопони­зителей зависит от соотноше­ния между входящими в них компонентами и их концентра­ции [130]. Чем больше доза добавки, тем сильнее ее водо­поиижающее действие (при со-

Держании не более 0,1 % мас­сы цемента).

Влияние способов введения добавок на их водопонижаю - щее действие обсуждено в разд. 3.2.2 (табл. 3.5), а меха­низм происходящих процес­сов — в разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12.

В работе [134] отмечено, что при введении добавок во - допонижение выше при осадке конуса смеси 75 мм, чем при 200 мм. Рис. 3.32 свидетель­ствует о том, что при осадке конуса 50 мм водопонижение составляет 6 %, а при осадке конуса 150 мм—11 % [133].

С другой стороны, бетон­ная смесь (расход цемента ти­па I 300 кг на 1 м3) в присут­ствии водопонижающей до­бавки требует для увеличения осадки конуса с 75 до 200 мм повышения содержания воды со 179 до 190 кг на 1 м3, тогда как для такого же изменения осадки конуса бетонной смеси без добавки необходимо по­высить содержание воды со 189 до 210 кг на 1 м3 [134]. Это означает, что введение до- бавок-водопонизителей обеспе­чивает одинаковое увеличение осадки бетонной смеси при меньшем, чем в отсутствие добавок, изменении содержа­ния воды и водоцементного от­ношения.

Добавки - водопонизители наиболее эффективны в бетон­ных смесях из низкощелочных № низкоалюминатных цементов [98]. Роль качества цементов одного типа проявляется в том, что одинаковые добавки вызывают различное снижение водопотребности бетонной сме­си из таких цементов [130].

Согласно работе [130], при прочих равных условиях добав­ки разных типов не могут быть одинаково эффективными водопонизителями. Так, водо­понизители, обладающие одно­временно воздухововлекающим действием, как правило, более существенно снижают водопо- требность в тощих бетонных смесях, чем в жирных. Они же вовлекают больше воздуха в бетонные смеси с понижен­ным расходом цемента [130].

Существенное влияние на водопонижающую способность добавок оказывает различие в форме (округлая, неокруг­лая) и природе заполнителей [30].

Водопонизители способны эффективно понизить водопот - ребность и бетонных смесей, содержащих золу-унос: как вводимую в качестве добавки к вяжущему, так и заменяю­щую часть цемента [130]. При этом для получения одинаковой с эталонным цементом без зо­лы водопотребности необходи­мо вводить большие количе­ства добавки в связи с повы­шенной сорбционной способ­ностью части золы.

Воздухововлекающие до­бавки снижают и водопотреб - ность смеси, однако дополни­тельный эффект наблюдается при их введении одновременно с добавками-водопонизителями. Этот результат обеспечивается в том случае, если возрастает и воздухововлечение в бетон­ную смесь [130].

3.4.3. Удобообрабатывае - мость бетонной смеси улучша­
ется, если водопонижающие добавки вводят в бетонную смесь с заданным количеством воды затворения. Этот показа­тель обычно измеряют путем определения осадки конуса, за­висящей от факторов, отме­ченных в разд. 3.4.2. Напри­мер, при заданном количестве воды затворения влияние во­допонизителей на осадку кону­са будет выше при большей исходной осадке конуса (рис. 3.32). В табл. 3.15 приведены

Данные о действии водопонизи­телей на осадку конуса в бетонных смесях при заданном постоянном количестве воды затворения. Как видно, эффек­тивность действия добавок на удобообрабатываемость смеси снижается в той же последо­вательности: глюконат> глюко - за> лигносульфонат, что и при оценке водопонижающей спо­собности этих добавок (см. табл. 3.14).

При неизменной осадке ко­нуса бетонные смеси с добав - кой - водопонизителем, как пра­вило, характеризуются лучшей удобообрабатываемостью. Так, согласно [135], бетонная смесь без водопонизителей при осад­ке конуса 89 мм имеет на 12,5 % меньшую величину пе - нетрации (по Келли), чем смесь с добавкой.

В бетонных смесях с лигно - сульфонатом и без добавки при одинаковой исходной осад­ке конуса роль добавки после отделения крупного заполни­теля выражается в повышен­ной подвижности растворной ча­сти [136]. Кроме того, при от­сутствии добавки бетонная смесь характеризуется худ­
шей удобообрабатываемостью [137].

3.4.4. Потеря подвижности бетонной смеси во времени.

Поскольку большинство водо - понижающих добавок высту­пают одновременно как за­медлители схватывания и твер­дения цемента, они удлиняют время, в течение которого воз­можно осуществлять вибриро­вание бетонной смеси. Поэтому можно было ожидать от подоб­ных добавок существенного уменьшения потери осадки ко­нуса во времени, что часто подтверждается эксперимен­тально. Однако многочислен­ные лабораторные и натурные испытания показали, что не­редко кинетика изменения под­вижности бетонной смеси в при­сутствии добавок водопонизи­телей-замедлителей не изменя­ется [22, 46, 138]. Существует несколько причин подобных расхождений в результатах опытов. Необходимо прежде всего отличать случаи, когда действие добавок в смеси срав­нивают при постоянном водо - цементном отношении, от слу­чаев сопоставления между со­бой бетонных смесей с добав­ками при одинаковой величине осадки конуса.

В работе [105] проанализи­рован первый случай. Дозиров­ка лигносульфоната состав­ляла 0,15%, глюконата нат­рия — 0,05—0,1 % массы це­мента. Хотя в присутствии этих добавок была достиг­нута большая степень потери подвижности бетонной смеси, само значение осадки конуса даже через 2 ч после затво­рения была существенно выше, чем это значение для конт­рольной смеси (без добавок). В лабораторных опытах для второго случая [117] обнару­жено, что водопонизители уве­личивают степень потери под­вижности смеси, но в значи­тельно меньшей мере, чем су­перпластификаторы на основе меламина. Однако при исполь­зовании высокощелочного це­мента типа II введение добавок, полученных из попутных про­дуктов переработки сахара, приводит к существенно боль­шей степени снижения под­вижности смеси, чем при вве­дении суперпластификатора, тс)гда как добавки на основе лигносульфоната или полигид - роксикарбоновой кислоты не изменяют сколько-нибудь за­метно осадку конуса контроль­ной бетонной смеси. Этот же цемент при введении в него сульфата кальция (1 % в пе­ресчете на SO3) иначе реаги­рует на содержащую сахар до­бавку: теперь эта последняя существенно тормозит сниже­ние осадки конуса во времени, особенно если в цемент введена смесь из 50 % двугидрата и 50 % полугидрата сульфата кальция.

В работах [139, 140] опи­саны результаты опытов по введению добавок (водопони­зителей и водопонизителей — замедлителей схватывания) в высокощелочной и (или) низко­сульфатный цемент, а в работе [141] —в безусадочный цемент К-типа.

В последнем случае «нор­мальная» добавка-водопонизи­тель отрицательно влияет на изменение во времени осадки конуса, тогда как добавка на основе лигносульфоната, об­ладающая замедляюще пласти­фицирующим действием, умень­шает потери подвижности бе­тонной смеси.

При изучении эффекта от введения водопонизителей и во­допонизителей-замедлителей на снижение осадки конуса смеси после двухчасового перемеши­вания установлено, что хотя в присутствии этих добавок на­блюдается несколько большая потеря подвижности, чем в контрольных смесях, их приме­нение позволяет значительно снизить общее количество во­ды после повторного перемеши­вания смеси. Это, по-видимому, связано с тем, что добавки делают бетонную смесь более чувствительной к содержанию воды, если ее оценивать через осадку конуса (см. рис. 3.32). Хотя, как видно, потеря осадки конуса смеси зависит от ряда факторов, влияние добавок на эту характеристику может быть связано либо с недостаточным содержанием сульфата или вы­соким содержанием щелочи, а это ускоряет образование эт­трингита, либо, наоборот, с из­быточным количеством гипса, что приводит к сохранению его концентрации в жидкой фазе (поскольку содержание гипса неэквивалентно содержанию СзА). Детали механизма этих процессов, приводящих также к ложному схватыванию или со­кращению сроков до начала схватывания, обсуждены в разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12.

Независимо от химической стороны механизма действия добавок, влияющих на силь­ное снижение величины осадки конуса, задачу потери подвиж­ности бетонной смеси удается решить, изменяя технологию подачи добавки: вводя ее с частью воды затворения через несколько минут после переме­шивания или добавляя ее с дополнительной частью воды после потери подвижности сме­си [139, 144]. Кроме того, проблему можно решить други­ми методами, включающими изменение количества сульфа­та, вводимого в цемент на за­воде-изготовителе [95, 117], изменение составляющих це­мента, типа и (или) дозировки добавки либо снижение тем­пературы бетонной смеси [140]. Примеры добавок (водопонизи­телей-замедлителей), уменьша­ющих или полностью исключа­ющих подобное явление, опи­саны в работах [50, 97, 135, 145] и относятся, главным об­разом, к случаям ложного схватывания цемента, ликви­дируемого с помощью этих добавок (см. разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12).

3.4.5. Водоотделение и рас­слоение смеси. Добавки — во­допонизители и замедлители могут влиять на степень и объем водоотделения и расслоения свежей бетонной смеси за счет действия сил тяжести. Из рис. 3.33 видно, что при посто­янной осадке конуса бетонной смеси (100 мм) добавки лиг­носульфоната и частично глю­козы уменьшают водоотделе­ние, а глюконат натрия, напро-

Тив, повышает его даже при снижении содержания воды за­творения (см. табл. 3.14).

На рис. 3.34 представлены данные о влиянии водопонизи­телей на водоотделение при В/Ц = 0,68 (постоянном). Как видно, глюконат натрия уве­личивает водоотделение, а лиг - носульфонат не изменяет его. Результаты опытов свидетель­ствуют о том, что необходимо принимать во внимание и каче­ственные показатели добавок. Так, технические водопонизите­ли на основе лигносульфонатов [130, 146] и глюкозы [120] уменьшают водоотделение при постоянном значении осадки ко­нуса, воздухововлекающие до­бавки обеспечивают еще более сильное снижение водоотделе^ ния, даже в том случае, если бетонная смесь приведена к то­му же содержанию газовой фа­зы, что и эталон (смесь без добавки), тогда как техниче­ские добавки на основе гид - роксикарбоновых кислот и их солей, наоборот, повышают водоотделение в свежей бетон­ной смеси [130, 145]. Анион - активные водопонизители при постоянном В/Ц уменьшают водоотделение бетонной и раст­ворной смесей сильнее, чем воздухововлекающие добавки [147]. Однако, по данным [13], еще недостаточно ясно, можно ли распространить этот вывод и на анионактивные гид - роксилсодержащие вещества. Согласно [148], в присутствии 0,1 % лигносульфоната каль­ция при постоянном В/Ц воз­растает возможность расслое­ния цементного теста вслед-

Ствие увеличенной подвижности частиц цемента. При увеличе­нии содержания этой добавки до 0,25 % в еще большей степени возрастает подвиж­ность частиц цемента и, как следствие, активизируются про­цессы водоотделения и рас­слоения.

3.4.6. Воздухововлечение. Некоторые технические водопо­низители или замедлители в нормальной дозировке вовле­кают 2—3 % воздуха. Боль­шего воздухововлечения (до 7—8 %) можно добиться при повышении содержания доба­вок сверх рекомендованного, особенно при пониженной тем­пературе [96]. Подобный ре­зультат возможен либо при использовании, например, нера­финированного лигносульфона­та, либо путем введения в ос­новную добавку определенно­го количества воздухововлека­ющего компонента.

Вовлечение 2—3 % воздуха может происходить отчасти вследствие понижения водосо - держания или увеличения под­вижности бетонной смеси, при­чем выигрыш из-за вовлечения воздуха обычно превосходит проигрыш в прочности бетона. Нередко часть этого воздуха к тому же удаляется при виб­рировании бетонной смеси. Ес­ли же объем воздушной фазы выше требуемого, то следует применять очищенные реаген­ты или же добавки-пеногасите- ли. Если воздухововлечение не­обходимо для повышения моро­зостойкости бетона, а водопо - нижающая добавка не обес­печивает требуемого количе­ства воздуха, то нужно ввести воздухововлекающую добавку. В общем случае, если водопо­низители вводят с целью полу­чения постоянной удобообраба - тываемости смеси при неболь­шой осадке конуса (20—50 мм), то в присутствии воздухово - влекающих добавок объем воз­духа возрастает незначитель­но. В противоположность это­му введение таких же добавок в бетонную смесь с осадкой конуса 70—150 мм приводит к существенному увеличению объема вовлеченного воздуха.

В бетонные смеси, содер­жащие некоторое количество воздуха за счет применения водопонизителей или замедли­телей, можно вводить меньше воздухововлекающих добавок для получения заданного объ­ема воздушной фазы. Конкрет­ные дозировки определяют на реальных смесях и материалах [96].

3.4.7. Внешний вид. Бетон­ная смесь с водопонизителями при одинаковой с контрольной смесью осадке конуса отлича­ется от нее по внешнему виду: она более монолитна, имеет меньшее водоотделение, лучшее сцепление с заполнителем [135]. В результате удается работать с более тощими бе­тонными смесями [134], т. е. снизить расход цемента.

3.4.8. Прокачиваемость. Для улучшения прокачиваемости то­щих бетонных смесей рекомен­дуют специальные добавки, которые здесь не описаны, по­скольку их нельзя отнести ни к водопонизителям, ни к замед­лителям. Однако в жирных бе­тонных смесях и в бетонных смесях с нормальным расходом цемента водопонизители по­лезны, так как они повышают прокачиваемость смесей при одинаковом с контрольными смесями водоцементном отно­шении. При этом следует повы­сить содержание песка для снижения водоотделения.

С другой стороны, водопо - нижающие добавки полезны и для смесей с уменьшенным со­держанием цемента и воды при одинаковой с контрольными смесями осадке конуса. Так, согласно [22], в присутствии лигносульфоната удается на 30 % снизить расход энергии при осадке конуса, равной, как и у бетонной смеси без доба­вок, около 100 мм. Улучшению прокачиваемости и подвижно­сти бетонной смеси способству­ет также вовлечение 3—5 % воздуха. Однако в случае пере­качки по длинным трубопро­водам возможно выжимание воздуха.

3.4.9. Однородность. Бетон­ная смесь при постоянном во­доцементном отношении долж­на быть однородной. Темпера­тура — один из важнейших факторов, приводящих к из­менению водоцементного от­ношения. При росте темпера­туры требуется вводить в бе­тонную смесь больше воды для сохранения одинакового рас - плыва конуса. Это может быть компенсировано введением боль­ших доз добавок-водопонизите­лей, которые, как следствие, стабилизируют водоцементное отношение и усадку конуса. Отмечено [149], что для под­держания на постоянном уров­не осадки конуса, в бетонную смесь при изменении темпера­туры с 4,4 до 37,7 °С нужно до­бавить 21 кг воды на 1 м3 смеси, тогда как при прочих равных условиях в присутствии водопонижающей и замедляю­щей схватывание добавки — всего 8 кг.

Изменение влажности за­полнителей может вызвать бо­лее сильные колебания осадки конуса бетонной смеси с во­допонизителем, чем в отсут­ствие добавки, поскольку ука­занные добавки делают бетон­ную смесь более чувствитель­ной к изменению удобообраба - тываемости в зависимости от водосодержания (см. рис. 3.32). Поэтому влажность заполните­лей следует учитывать /Для поддержания на постоянном уровне водоцементного Отно­шения и удобообрабатываемо - сти бетонной смеси, в част­ности, при использовании ана­лизируемых добавок [135].

3.4.10. Отделочные опера­ции. В присутствии замедлите­лей и (или) водопонизителей бетонная смесь может оставать­ся достаточно подвижной в течение нескольких часов пос­ле укладки. В работе [22] ука­зано на существенное улучше­ние отделочных операций при укладке бетонной смеси благо­даря применению добавки лиг­носульфоната.

Использование добавок — замедлителей, водопонизителей и замедлителей-водопонизите­лей удлиняет период между операциями разравнивания и поверхностной обработки при изготовлении бетонных плит, что особенно полезно при от­делке плит больших размеров. Эти характеристики особенно важны в жаркую погоду, по­скольку добавка может удли­нить сроки схватывания це­мента (см. разд. 3.4.11). Одна­ко при этом с поверхности ис­паряется вода, а указанные добавки не препятствуют фор­мированию корки.

В этих условиях требуется более тщательный уход за бе­тонной смесью и бетоном в те­чение длительного срока, чтобы обеспечить хорошее состояние поверхности плит. С другой стороны, вследствие замедляю­щего действия добавки легче разрушить возникающую кор­ку с помощью механических средств [22].

Еще к одному недостатку добавок-водопонизителей на стадии отделочных операций относится использование их только в целях экономии це­мента в тощих бетонных сме­сях. В результате ухудшается обрабатываемость поверхности бетона. Этот недостаток уда­ется устранить, применяя нане­сение на поверхность незатвер - девшей смеси порошка, состоя­щего из цемента, водопонизи­теля и высокодисперсного песка.

3.4.11. Сроки схватывания. Время до начала и конца схва­тывания цемента обычно удли­няют добавки-замедлители и за­медлители-водопонизители (см. разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12). Од­нако в некоторых случаях наблюдается сокращение вре­мени до начала схватывания; этот эффект удается предот­вратить более поздним введе­нием добавки. В табл. 3.2 и 3.10—3.12 приведены данные о влиянии технических замед­лителей и замедлителей-водопо­низителей на сроки схватыва­ния различных цементов. Они свидетельствуют о том, что эффективность добавок в от­ношении различных цементов можно определить только экс­периментально. В целом их за­медляющее действие на пуццо - лановые и шлакопортландце - менты выражено сильнее, чем на портландцементы (см. табл. 3.12).

Из данных табл. 3.11 сле­дует, что результаты опреде­ления сроков схватывания це­мента в пастах в присутствии замедлителей и замедлителей - водопонизителей нельзя пере­носить на бетонные смеси из - за существенных различий меж­ду ними. Как правило, цемент­ное тесто характеризуется боль­шими сроками схватывания (определено с помощью иглы Вика), чем бетонная смесь (определено по методу Прок­тора). По данным [150], опти­мальная доза добавки для за­медления процессов загустева - ния бетонной смеси составляет примерно половину той, кото­рая требуется для цементного теста.

На сроки схватывания вли­яет множество факторов, из которых наиболее важным сле­дует признать количество воды затворения [151].

При сравнении между собой метода пенетрации по Прок­тору с методом выдергивания стержня преимущество сле­дует отдать первому как более удобному и обеспечивающему воспроизводимость результатов [152].

Увеличивая содержание до­бавок, удается удлинить пе­риод, в течение которого мож­но вибрировать бетонную смесь (рис. 3.35). Однако при по­вышении начальной темпера­туры смеси увеличение ко­личества добавки обеспечивает лишь сохранение этого перио­да, соответствующего периоду вибрирования контрольной сме­си без добавки (рис. 3.36).

При постоянной дозировке добавки изменение времени (ч) до начала и конца схваты­вания цемента зависит от температуры. Однако этот же показатель, но выраженный в процентах к эталону (без добавки), мало чувствителен к изменению температуры [130].

В работе [150] отмечено, что требования стандарта ASTM С-494 (см. разд. 3.6.2) для до­бавок нельзя непосредственно перенести на бетонную поверх­ность, если ее температура выше нормальной (23,9 °С). Ав­торы увеличивали дозировку технических и полученных в лабораторных условиях доба­вок-замедлителей и водопони­зителей при 32,2 °С с тем, что­бы обеспечить приемлемые сро­ки схватывания смесей, и при­шли к выводу, что замедляю­щий эффект добавок можно оценить и при температуре выше нормальной. Для наибо­лее реального времени пере­мешивания бетонной смеси, превышающего 6 мин, можно рекомендовать стандарт ASTM

С-494, Превышение дозировки добавок может привести к из­лишне сильному замедляюще­му действию, что вызывает не­обходимость продолжительно­го ухода за бетоном. Однако возможно решение, при котором незначительное увеличение со­держания добавок не окажет влияния ни на требования к прочности бетона в поздние сроки, ни на поддержание по­верхности бетона в должном состоянии [130].

Технические добавки-водо­понизители могут содержать некоторые компоненты, ускоря­ющие процессы гидратации це­мента и ослабляющие дей­ствие основных водопонижаю - щих составляющих добавки. В результате сроки схватыва­ния цемента с такой добавкой с точностью до +1 ч совпа­дают со сроками схватывания контрольных составов. Влияние технических водопонизителей на сроки схватывания цемента показано в табл. 3.1 и 3.5. Задержка в подаче добавки приводит к усилению ее замед­ляющего действия, которое можно ослабить, снизив ее содержание (см. табл. 3.5).

В водопонизителях — уско­рителях схватывания и тверде­ния содержатся компоненты, ус­коряющие схватывание и твер­дение цемента. Это могут быть и свободные от хлоридов слож­ные добавки (см. табл. 3.1). Они необходимы в том случае, если требуется быстрая распа­лубка изделий (раньше, чем через 1 сут после укладки бе­тонной смеси) и нужно обес­печить достаточно высокую 12- или 24-часовую прочность бе­тона [96]. Эти же требования предъявляются к добавкам, применяемым при поверхност­ной обработке плит и при ра­боте в холодное время года.

3.4.12. Теплота гидратации цемента. Водопонижающие до­бавки удлиняют время, через которое начинается интенсив­ное тепловыделение цемента. Используя лигносульфонат кальция, ортогидроксибензой - ную кислоту и хлорид кальция в разных соотношениях, уда­ется управлять тепловыделе­нием цемента в ранние сроки, сознательно изменяя этот про­цесс в сторону как замедле­ния, так и ускорения [153]. Кроме того, перечисленные комплексные добавки повыша­ют прочность образцов, отне­сенную к теплоте гидратации цемента.

При использовании доба­вок — замедлителей и водопо­низителей количество тепла, выделяющегося на раннем эта­пе гидратации цемента, ниже, чем у контрольных составов, однако к 38 сут оно или оди­наково, или превышает теп­лоту гидратации последних [12, 22]. Исключения составляют добавки, обладающие водопо - нижающим и ускоряющим гид­ратацию цемента действием.

Снижение добавками на­чального тепловыделения по­лезно для решения с их по­мощью некоторых проблем тре- щинообразования в бетоне, в частности при повышенной тем­пературе воздуха (см. разд. 3.4.14). С другой стороны, комбинации из водопонизителя и ускорителя, обеспечивающие более интенсивное тепловыде­ление цемента в ранние сроки, эффективны при их использо­вании в холодную погоду.

3.4.13. Рост температуры. Обычно в бетонной смеси во­допонижающие и замедляю­щие схватывание добавки сни­жают рост температуры при гидратации цемента в ранние сроки, оставляют его на уров­не эталона примерно к 3 сут и в отличие от добавок-водопо­низителей — ускорителей схва­тывания и твердения цемента несколько повышают его в бо­лее поздние сроки [22]. При прочих равных условиях влия­ние состава и количества це­мента на рост температуры бо­лее существенно, чем влияние добавок. В работе [22] отме­чена разница в 4,5 °С между температурой контрольной сме­си и смеси с добавкой водопо­низителя-замедлителя (к 28 сут) при сокращении с по­мощью этой добавки расхода цемента на 5 %.

3.4.14. Пластическая усадка. Добавки водопонизители-замед­лители могут усилить усадку бетонной смеси и в конечном счете процессы трещинообра - зования, хотя они и способ­ствуют сохранению влаги в материале. Они могут снизить опасность трещинообразования лишь в том случае, если оно происходит вследствие уско­ренной гидратации цемента в ранние сроки (и соответственно его интенсивного тепловыделе­ния) [135].

3.5. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК

ВОДОПОНИЗИТЕЛЕЙ-ЗАМЕДЛИТЕЛЕЙ

НА ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТВЕРДЕЮЩЕГО

БЕТОНА

Рассматриваемые добавки могут влиять на физические, механические и химические свойства твердеющего бетона, в частности и при снижении его водопотребности.

3.5.1. Физические свойства. При постоянной прочности рас­тет плотность бетона вслед­ствие снижения количества во­ды затворения при сохранении одинакового с контролем объе­ма воздуха. По данным [130], в этих условиях плотность бе­тона возрастает на 0,6—1,2 %.

Пористость бетона и раство­ра в присутствии водопонизите­лей зависит от степени гидра­тации цемента и водоцементно - го 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 (рис. 3.37). 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 пуццо - лановом и шлакопортландце­менте без добавок и с добавкой различие не обнаружено.

Аналогичные результаты по­лучены и в работе [155]: при близкой общей пористости со­держание 0,25 % лигносуль­фоната увеличивает объем пор с радиусом более 10 нм на 8 % в образцах из раствора и на 30 % — из теста.

В табл. 3.16 приведены зна­чения пористости (Vp) и удель­ной поверхности (S) образцов из цементных паст (В/Ц = 0,5) без добавок и с добавкой 0,2 % технического лигносульфоната кальция (ЛСК) в возрасте 7 сут.

Поверхностные свойства бе­тона. Из данных табл. 3.16 видно, что 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 [8]. Эти результаты можно объяснить частично большей степенью гидратации цемента в присутствии добавки и соот­ветственно возросшим объе­мом продуктов гидратации к 7 сут (см. табл. 3.13).

Проницаемость бетона. В связи с пониженным водоце - ментным отношением порис­тость и проницаемость бетона с добавками рассматриваемых типов уменьшаются (см. разд. 3.5.1.2). Из данных рис. 3.38 видно, что 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 [119]. Близкие дан­ные получены при использова­нии в качестве добавок лигно­сульфоната аммония, техниче­ского лигносульфоната и сме­сей гидроксикарбоновых кис­лот [156]. Уменьшение прони­цаемости бетона, обусловлен­ное водопонижающим действи­ем добавок, наблюдается и ког­да их используют для снижения расхода цемента, что объясня­ется, по-видимому, повышенной степенью гидратации цемента [156].

Что водопонижающие добавки либо не ухудшают этот пока­затель раствора и бетона, либо лишь незначительно изменяют его [8, 119]. Так, 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 (см. табл. 3.17). Аналогичные данные по­лучены и при использовании глюконата натрия или сахаро­зы, смесей лигносульфоната кальция с хлоридом кальция, а также лигносульфоната и три-

Этанол амина [157]. Установлю но [13], что и добавки на ос - .нове 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 (см. рис. 3.37).

В табл. 3.17 приведены зна­чения усадки (миллионные до­ли) при высушивании раство­ра без добавок и с 0,2 % лиг­носульфоната кальция (ЛСК) в течение 1 сут; сушка при 20 °С и 50 %-ной относитель­ной влажности [8].

В табл. 3.18 приведены зна­чения усадки бетона в зави­симости от водоцементного от­ношения и наличия (или от­сутствия) добавки в виде тех­нического гидроксилированного полимера [120]. Расход це­мента 300 кг на 1 м3, осадка конуса 100 мм. Уход в течение 7 сут, сушка при 20 °С и 65 %-ной относительной влаж­ности.

Согласно работе [150], 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.

В работе [22] приведены результаты изучения влияния лигносульфоната, а также гид - роксикарбоновых кислот на усадку при сушке таких бето­нов со сниженным расходом либо только воды, либо цемен­та и воды. 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 загруже - ния 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. В работе [158] ис­следовано влияние техническо­го лигносульфоната на ползу­честь раствора из цементов типа I и V по ASTM при постоянном водоцементном от­ношении. Образцы выдержи­вали под нагрузкой в насы­щенном растворе гидроксида кальция. 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 [159, 160]. С другой стороны, при исполь­зовании цемента типа V не об­наружили сколько-нибудь су­щественной разницы между ползучестью бетона с добав­кой и без нее.

В исследовании [161] ис­пользован цемент типа III; опыт проводили при относительной влажности воздуха 50 %; об­разцы готовили при постоян­ном В/Ц с добавками лиг­носульфоната и гидроксикарбо - новой кислоты (эталоном слу­жили образцы без добавки). Продолжительность наблюде­ний— 12 ч после нагружения. Выбранная влажность воздуха позволяла одновременно учесть и «основную» ползучесть об­разцов и ползучесть, вызван­ную высушиванием.

Анализ результатов позво­ляет предположить, что воз­растание деформаций ползуче­сти образцов в присутствии лигносульфоната обусловлено большей легкостью их влаго - обмена [161], что подтвержда­ют данные, приведенные на рис. 3.37 [5, 155]. Повышению ползучести образцов способ­ствует и уменьшение лигносуль - фонатом поверхностного натя­жения воды [161].

В присутствии гидроксикар - боновой 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 об-

6 Зак 976

Разцов [159, 162]. 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 [162].

Хотя в присутствии лигно­сульфоната не обнаружили ни­каких существенных измене­ний морфологии продуктов гидратации цемента (см. разд. 3.3.1.10), последовательность их образования и количествен­ное соотношение продуктов гидратации могут сильно отли­чаться, если добавки отсут­ствуют. Это обстоятельство час - тично объясняет влияние изу­чаемых добавок на ползучесть бетонов, особенно если они из­меняют скорость и степень гидратации цемента под нагруз - / кой. /

3.5.2. 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.

3.5.2.1. Прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут. Снижение количества воды за­творения в присутствии доба­вок приводит к росту прочно­сти бетона к 28 сут (см. рис. 3.1, 1 и 3.3), причем это повышение больше, чем можно было ожидать, исходя только

161

Из снижения водоцементного отношения (см. рис. 3.32). При­чины более высокой прочности бетона с добавками по срав­нению с контрольными образ­цами при одинаковом водоце - ментном отношении объясня­ются большей степенью гид­ратации цемента с добавками в поздние сроки (см. рис. 3.2; 3.28; 3.29; 3.31 и 3.1, III). Как видно, сказанное относится к таким водопонижающим и за­медляющим схватывание до­бавкам, как сахароза, лигно­сульфонаты и глюконовая кис­лота.

В работе [163] установлено следующее соотношение меж­ду прочностью при сжатии бетона без добавки Sp и с 0,266 % технического лигно­сульфоната кальция Sa в воз­расте 28 сут и отношением (вода+ воздух)/цемент:

S„ = 8518—183V„, (3.8)

S„ = 8190— 1992V,,, (3.9)

Где Va и Vp — отношение (во­да +воздух) соответственно к цементу с добавкой и без нее. Это соотношение свидетель­ствует о том, что при постоян­ном содержании цемента и воз­душной фазы в бетоне с воз - духововлекающей добавкой прочность к 28 сут возрастает на 19 % при снижении коли­чества воды всего на 5 %, тогда как прочность бетона без добавки повышается на 15 % при снижении содержания воды на 10 %.

В работах [22] обобщены результаты многочисленных ла­бораторных и натурных экспе­риментов. Авторы пришли к выводу, что в присутствии до­бавок-водопонизителей и за­медлителей схватывания при одинаковых с контрольным расходах цемента и осадке конуса прочность при сжатии бетона к 28 сут на 20 % выше. Соответственно при по­стоянных прочности бетона и осадке конуса смеси можно на 8 % снизить расход цемен­та. Аналогичные результаты подтверждены в многочислен­ных исследованиях, проведен­ных с цементами без пуццо - лановых добавок и с ними [96, 134, 135, 156]. Однако, согласно [135], невозможно дать универсальную характе­ристику снижения расхода це­мента с помощью таких доба­вок, поскольку их оптимальная дозировка зависит от природы добавки, вида и состава це­мента.

Прочность при сжа­тии в другие сроки. Прочность бетона зависит от того, являются ли водопони­зители замедляющими, уско­ряющими или они не изменяют сроки схватывания цемента [см. рис. 3.2 и 3.3]. 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 [22].

В раннем возрасте (1 сут) прочность при сжатии бетонов с водопонижающими добавка­ми (лигносульфонатом, глкжо - новой кислотой или сахарозой) ниже, чем контрольных (см.

Рис. 3.29 и 3.30), что объясня­ется их замедляющим процес­сы гидратации цемента дей­ствием (рис. 3.28); 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 (см. рис. 3.2 и 3.3, табл. 3.5).

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 (рис. 3.29 и 3.30), за исключением случая их чрезмерно высокой дозировки (рис. 3.30).

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 6* можно получить при сниже­нии расхода цемента на 15 % [156].

Как видно из данных рис. 3.29, 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 пуццола - нового и шлакопортландцемен­те [8].

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 рас-1 тяжении [22]. В присутстг вии лигносульфоната и гид­роксикарбоновой кислоты проч­ность бетона при сдвиге выше, чем бетона без добавок [22].

3.5.2.2. 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 удобообраба- тываемости смеси [156]. Мо­дуль упругости бетона с добав­кой лигносульфоната в. возра­сте от 1 до 5 лет на 2—8 % больше, чем модуль контроль - ного бетона, даже при меньших расходе цемента и воды и повы­шенном содержании заполни­теля [1561. Это можно объяс­нить более высоким модулем упругости заполнителя.

3.5.2.3. Адгезионная проч­ность. Показано [156], что 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 во - доотделения и усадки, что при­водит к увеличению сил ад­гезии.

3.5.2.4. Износостойкость бе­тона. Согласно некоторым дан­ным [164], износостойкость пропорциональна прочности бе­тона при сжатии, следова­тельно, добавки-водопонизите - ли должны улучшать износо­стойкость бетона, особенно в условиях жаркого климата, что подтверждено в опытах [156].