Добавки в бетон Справочное пособие
ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХОВОВЛЕЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
5.5.1. Механизм воздухо - вовлечения. Вовлечение воздуха происходит на стадии перемешивания смеси, причем добавки лишь стабилизируют воздушные пузырьки, образовавшиеся в смеси при ее перемешивании [5]. 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.
Эти вопросы были предметом ряда исследований [5, 16, 17], и все же многие детали процесса воздухововлечения недостаточно ясны.
При отсутствии воздухово - влекающих добавок пузырьки воздуха, попавшие в бетонную смесь, в большинстве случаев сравнительно быстро коалесци- руют 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, сорби - руясь 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 возду - хововлекающего действия ани - онактивных 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 [18]. 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 [5], другие — что должно оставаться некоторое количество несвязанной добавки для обеспечения удовлетворительного воздухововлечения [20].
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 неионогенные и катионактивные вещества, которые не образуют труднорастворимых соединений в цементных системах, тоже способствуют воздухововлечению [21—23]. То же самое можно сказать и о тех анионактивных веществах, кальциевые соли которых водорастворимы, например о сульфопроизводных: они обладают хорошим воздухо - вовлечением. Таким образом, можно предположить, что механизм, предусматривающий формирование вокруг пузырьков воздуха пленок из труднорастворимых соединений, существенной роли в воздухово - влечении не играет.
Еще один путь стабилизации системы пузырьков — адсорбция ПАВ на частицах цемента[12]. 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 воздухово - влекающие 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. В работе [24] методы испытания ПАВ в качестве фло - тореагентов использованы для оценки воздухововлекающих добавок, причем автор этой работы пришел к заключению, что прилипание пузырьков воздуха к частицам цемента — это фактор, играющий роль в воздухововлечении. Однако, с другой стороны, этот механизм трудно распространить на ка - тионактивные и неионогенные добавки.
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. Как известно, давление воздуха внутри пузырьков больше, чем наружное; его можно определить по уравнению р=2а/г, где о — поверхностное натяжение жидкости; г — радиус пузырька.
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-види - мому, этот приближенный расчет справедлив, так как микроскопическое определение показало, что в затвердевшем бетоне отсутствуют пузырьки меньших размеров.
Представление об этом механизме получило дальнейшее развитие в работах [16 и 18], правда, в несколько иной интерпретации, чем изложенная в публикации [25]. Если йред - ложенный механизм реализуется, а теоретический анализ подтверждает возможность этого[13], то из него следует, что любая стенка пор, в том числе и образованная за счет адсорбционных пленок и коллоидных частиц, выполняющих барьерные функции, будет затруднять протекание этого процесса. Измерена проницаемость стенок пор и установлено [22], что те из них, которые имеют наименьшую проницаемость для воздуха, обеспечивают и сохранение в бетоне самых мелких пузырьков.
5.5.2. 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.
5.5.2.1. 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 воз - духововлечения: одни добавки могут оказаться более эффективными, другие менее.
5.5.2.2. Осадка конуса. Чем выше осадка конуса бетонной смеси, тем больше воздухово- влечение. Так, увеличение осадки конуса примерно до 75 мм способствует повышению содержания воздуха на 1 % (рис. 5.1); чем больше воды в бетонной смеси, тем она более подвижна, поэтому воздуху легче оказаться в смеси при перемешивании [5]. Однако если осадка конуса составляет более 175 мм, воздух легко удаляется при перемешивании и укладке бетонной смеси, т. е. снижается воздухосодержание (см. рис. 5.1).
5.5.2.3. Влияние крупного заполнителя. С повышением максимальных размеров заполнителя содержание воздуха в бетоне снижается. Согласно АСІ-методу подбора состава бетона [3], 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, при
чем эта зависимость обратно пропорциональная. Требования к долговечности даны в работе [26]: в растворной части содержание воздуха должно быть примерно 9—10 %.
5.5.2.4. Влияние мелкого заполнителя. Мелкие заполнители способствуют воздухово - влечению 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 [4] (рис. 5.2). Однако помимо этого понятного соотношения следует учитывать еще и эффект размера и гранулометрического состава частиц, проявляющийся наиболее сильно в тощих бетонных смесях.
Установлено [4], 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. В работе [31] отмечается, что 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.
5.5.2.5. Влияние высокодисперсных материалов. Присутствие таких дисперсных материалов, как зола-унос, других ми
неральных добавок и пылева - тых 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 [31]. Для жирных бетонных смесей, т. е. смесей с повышенным содержанием цемента, также характерно снижение воздухо- вовлечения, особенно если используют высокодисперсный цемент.
5.5.2.6. Влияние температуры. Чем выше температура бетонной смеси, тем меньше в ней воздуха. Это справедливо и в том случае, если водоцемент - ное отношение изменяют таким образом, чтобы сохранить неизменной осадку конуса [5]. Хотя в принципе можно ожидать, что при повышении температуры в бетонной смеси будет содержаться меньше воздуха, однако детали, раскрывающие природу этого эффекта, недостаточно ясны [5]. 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. Типичные зависимости, иллюстрирующие сказанное, приведены на рис. 5.3.
5.5.2.7. 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 воздухово - влечением.
Согласно [6], аналогичный эффект присущ и гидроксикар - боновым кислотам — замедлителям схватывания цемента, хотя некоторые из них и не обладают воздухововлекающим действием.
Хлорид кальция немного повышает содержание воздуха в присутствии воздухововлека - ющих добавок, однако этот эффект незначителен. Хлорид кальция, как и все другие вещества, следует вводить отдельно от воздухововлекающей добавки.
5.5.2.8. Влияние химического состава цемента. Цементы с высоким содержанием щелочей легче вовлекают воздух, чем с низким, поэтому для смесей на них требуется меньше воздухо - вовлекающих 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 лигносуль-. фонатов [28].
Возможны случаи загрязнения цемента маслами или другими веществами, влияющими как на увеличение, так и на уменьшение воздухововлечения [27]. Это может быть причиной различия в воздухововлечении при изготовлении бетона на цементе одинакового состава [6, 29]. 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.
5.5.2.9. Влияние условий перемешивания. С увеличением интенсивности перемешивания смеси растет и содержание в ней воздуха, которое может превысить допустимое. Удлинение сроков перемешивания
Рис. 5.3. Зависимость содержания воздуха в бетонной смеси от температуры (расход цемента 335 кг/м3). На кривых даны значения осадки конуса, мм |
<3 о 10 20 30 40 50 60 Время перемешивания, мин Рис. 5.4. Зависимость содержания воздуха в бетоне от времени и интенсивности перемешивания смеси |4| |
Сначала приводит к незначительному повышению воздухововлечения, но дальнейшее перемешивание вызывает снижение содержания воздуха в смеси [4, 29], причем время достижения максимума наступает тем раньше, чем меньше начальная осадка конуса (рис. 5.4). 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.
5.5.2.10. Вибрация бетонной смеси. Вибрация снижает содержание воздуха, поскольку при этом возможно слияние крупных пузырьков [5]. Более продолжительное вибрирование смеси слабо изменяет фактор расстояния, хотя содержание воздуха при этом ощутимо уменьшается (30]. Это обстоятельство важно для получения прочного бетона в результате отсутствия расслоения смеси.
5.5.3. 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 (согласно рекомендациям АСІ [3] — округленно на 10 %). 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.
5.5.4. Влияние воздухововлечения на свойства бетонной смеси. Воздухововлечение, повышая подвижность смеси, улучшает технологичность: ее легче транспортировать, укладывать и формовать без расслоения [5]. 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. [32], 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.
5.5.4.1. 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 водоот - делением, — 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 [33]. 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 когези - онные 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 [5, 18].
5.5.4.2. 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 [31, 34]. 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.
5.5.5. Определение воздухо - содержания. Известны три метода ASTM для определения содержания воздуха в смеси: гравиметрический (С 138), под давлением (С231) и волюмо - метрический (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 воздухосодер - жание. 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 волю - мометрического метода предусмотрено введение малых доз спиртов в воду для пеногаше - ния, что повышает точность измерения. Однако волюмомет - рическая 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.