Добавки в бетон Справочное пособие

ДОБАВКИ, ПОНИЖАЮЩИЕ ВЛАГО — И ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ

Вода проникает в бетон при повышенном давлении или пу­тем абсорбции. В первом случае вода под давлением продавли­вается через каналы, которые соединяют две лицевые поверх­ности бетона. Во втором случае прохождение влаги через бетон вызывается только капилляр­ным действием. Испарение с лицевых поверхностей, вызы­ваемое разреженным воздухом и постоянным пополнением вла­ги с поверхностей, находящих­ся в контакте с водой, влияет на прохождение влаги через бетон.

Комплексные добавки, пони­жающие водопроницаемость, производят в виде порошков, жидкостей или суспензий, кото­рые при перемешивании со све­жим бетоном снижают прони­цаемость выдержанного бетона или придают затвердевшему бе­тону гидрофобные свойства.

9.4.1. Виды добавок. Добав­ки, которые уменьшают про­ницаемость бетона, эффективны для снижения перемещения влаги под давлением, в то время как материалы, понижающие влагопроницаемость, могут уменьшать миграцию влаги по капиллярам. Большинство та­ких добавок не уменьшает прохождение воды при поло­жительном гидростатическом напоре.

Добавки, понижающие вла - го - и водопроницаемость, мо­гут быть сгруппированы в со­ответствии с их физическими и химическими характеристиками следующим образом [46]:

А) водоотталкивающие ма­териалы, включая мыла и жир­ные кислоты, которые реаги­руют с продуктами гидратации цемента и веществами, подоб­ными эмульсиям парафинов;

Б) тонкоизмельченные твер­дые вещества, являющиеся инертными материалами, за­полняющими поры;

В) химически реакционно - способные тонкоизмельченные твердые вещства;

Г) обычные водопонижаю­щие, воздухововлекающие и ускоряющие твердение добавки (рассмотрены в других главах);

Д) смешанные, например ме - тилсиликонаты.

Материалы группы «а» представляют собой добавки, понижающие влагопроницае­мость, а материалы групп «б», «в» и «г» используются в ка­честве добавок, снижающих водопроницаемость.

9.4.2. Химический состав. Наиболее широко известными водоотталкивающими материа­лами в группе «а» являются кальциевые или аммонийные соли жирных кислот, например стеараты. Жидкие материалы включают такие жирные кисло­ты, как олеиновую, каприновую, каприловую, а также дисперсии стеарата аммония в воде и бу - тилстеарат. Используются так­же некоторые растительные и животные жиры и эмульсии на основе белого жира, таллового или соевого масла и пасты. Другие продукты этой катего­рии, производимые из кубовых остатков нефти, включают тя­желые минеральные масла, парафиновые воски и битумные эмульсии. Известны также очень тонкие фракции восковых эмульсий, получаемых из пара­финов с точкой плавления 57—60 °С и эмульгирующего агента. Тяжелые минеральные масла эффективны в качестве средств против абсорбции воды и в некоторой степени — против проникания воды под давлени­ем.

Тонкоизмельченные твердые вещества могут быть инертны­ми или реагировать с продук­тами гидратации цемента. Ре - акционноспособные материалы включают некоторые силикаты и тонкоизмельченные доменный шлак и пуццоланы — золу-унос и диатомит. К инертным ма­териалам относятся каолины, тальк, бентонит и кремнезе­мистые порошки.

Растворы метилсиликоната натрия используются в огра­ниченных масштабах в США для ремонта покрытий мостов, но в большей степени в СССР. Поглощение воды при примене­нии этой добавки значительно уменьшается, зато удлиняются сроки схватывания.

Некоторые добавки (напри­мер, стеараты + СаСЬ) вклю­чают материалы двух или бо­лее групп и могут рассматри­ваться как многофункциональ­ные. Они снижают проницае­мость и усиливают степень вла- гонепроницаемости без потери прочности.

9.4.3. Изготовление и ис­пользование. Материалы, спо­собствующие водоотталкива - нию, применяется в виде су­хих порошков. Обычно стеа­риновое мыло смешивается с тальком или мелким кварце­вым песком и используется в определенной дозировке по отношению к массе цемента. При производстве жидких до­бавок в коммерческом масшта­бе содержание соли жирной кислоты (мыла) обычно со­ставляет 20 % или меньше; к ней добавляется твердое ве­щество — известь или СаСЬ. Последний используется для то­го, чтобы не допустить сни­жения прочности, которое про­исходит на самой ранней стадии при применении материалов на основе мыла.

Бутилстеарат, который ока­зывает на бетон такое же влия­ние, как и мыла, обычно до­бавляется в виде эмульсии. В отличие от мыл он не прояв­ляет пенообразующего дейст­вия и поэтому может быть использован в большей дози­ровке, не оказывая отрицатель­ного влияния на прочность и проницаемость. Утверждают, что эта эмульсия лучше дис­пергируется в смеси, а при применении в дозировке 1 % от массы цемента ее водоот­талкивающий эффект выше, чем у мыл; прочность при этом не снижается.

Тяжелое минеральное масло (жидкий продукт нефтеперегон - ки) не должно содержать омыляющих жиров и масел. Вполне пригодны нефтяные остатки, которые эмульгируют со щелочью, имеют подходящую вязкость и способны смеши­ваться с водой. Хорошие ре­зультаты получены при дози­ровке до 5 % массы цемента, при этом наблюдается неболь­шое снижение прочности при сжатии.

Тонкоизмельченные инерт­ные заполнители пор и реак - ционноспособные материалы обычно применяются в смесях с низким содержанием цемента и мелких заполнителей. При этом достигается повышение прочности и снижение прони­цаемости бетона. Эти материа­лы используются для производ­ства водонепроницаемого бето­на при дозировке от 0,5 до 10 % массы цемента. Дозировка за­висит от содержания цемента, плотности мелких заполнителей в смеси и типа добавки.

Жидкий метилсиликонат натрия можно вводить в дозе не более 2—3 % из-за значи­тельного замедления схватыва­ния. При такой дозировке пре­имущества, которые можно по­лучить от использования до­бавки, не могут быть реализо­ваны.

Введение порошкообразных материалов производится глав­ным образом вручную: оператор добавляет отмеренный по массе материал в бетономешалку. До­зирование жидких материалов можно осуществлять с по­мощью автоматического дози­ровочного оборудования, ис­пользуемого для обычных до­бавок.

Добавки, являющиеся тон­кими порошками, обычно сме­шивают с кварцевым песком для достижения лучшего дис­пергирования. Водные диспер­сии бентонита и парафиновые эмульсии дозируют в смеситель таким же образом, как и другие жидкие добавки. Эти материа­лы вводят сразу же после загрузки заполнителей, сме­шанных в течение непродол­жительного времени, а затем добавляют цемент. Поскольку они представляют собой поро­шок твердых материалов, тре­буется тщательное их смешива­ние с другими твердыми мате­риалами.

Добавки, полученные на основе мелкоизмельченных инертных твердых материалов, относительно стабильны и не­чувствительны к изменениям влажности или температуры. Продолжительность хранения этих материалов превышает 12 мес, определенных для боль­шинства фирменных продуктов. Парафиновые и битумные эмульсии, однако, чувствитель­ны к замерзанию и могут да­вать осадок, поэтому необхо­димо обеспечить соответствую­щие условия их хранения.

При выборе добавок, по­вышающих степень влаго- и водонепроницаемости, необхо­димо учитывать следующие факторы: тип водонепроницае­мой добавки; дозировку; со­вместимость с другими добав­ками; температуру укладки и выдержки; ограничения в ис­пользовании добавки. Приме­нение некоторых растительных и животных масел и эмульсий на основе белого жира или сое­вого масла может привести к значительным изменениям прочности, что влечет за собой большую отбраковку бетонных смесей.

Дозировка добавок на осно­ве мыл, используемых в бетон­ных-смесях, не должна превы­шать 0,2 % массы цемента, так как при введении больших доз увеличивается содержание воз­духа и снижается прочность. Это, в частности, наблюдается при использовании бетона с осадкой конуса, превышающей 75 мм.

Использование комплекс­ной, снижающей водопроницае­мость добавки в сочетании с водопонижающей добавкой мо­жет дать побочный эффект. При нормальных дозировках для обеих добавок и осадке конуса больше 75 мм увеличи­ваются сроки схватывания, во­доотделение и содержание воз­духа.

При применении водооттал­кивающего материала в сме­сях, содержащих обычную во - допонижающую добавку, долж­ны быть предприняты следую­щие контрольные меры: исполь­зование сухих смесей (осадка конуса меньше 75 мм) с низким водоцементным отношением; использование уменьшенных дозировок для водопонижаю - щих и водонепроницаемых до­бавок; использование водопо- нижающего ускорителя схваты­вания.

Температура укладки и выдержки играет важную роль при действии водонепроницае­мых добавок. Например, при температуре ниже 15 °С наблю­дается замедление схватыва­ния. Некоторые снижающие во­допроницаемость добавки мо­гут влиять на гидратацию це­мента, так как они препятст­вуют прониканию воды к час­тицам цемента. При исполь­зовании рассматриваемых до­бавок для устройства полов и стен важно определить, не будут ли они препятствовать сцеплению с применяемыми покрытиями, клеящими соста­вами или штукатуркой [46].

9.4.4. Пластичные свойства бетона и раствора. 9.4.4.1. Ме­ханизм. Оба типа добавок уве­личивают стойкость к прони­канию воды, действуя при этом в качестве заполнителей пор либо создавая гидрофобное покрытие стенок пор, а также в результате соединения обоих эффектов. Материалы, которые образует гидрофобные покры­тия (жирные кислоты, парафи­новые и битуминозные эмуль­сии), действуют следующим об­разом.

Обычно бетон «увлажняет­ся», так как давление, необхо­димое для увлажнения, являет­ся низким из-за сил поверх­ностного натяжения, которые затягивают воду в поры (рис. 9.5, а). При использовании таких добавок, повышающих степень водонепроницаемости,

Как стеараты, в результате реакции мыла с Са(ОН)г об­разуется нерастворимый стеа - рат кальция, который закрыва­ет поверхность пор. Подобным же образом парафиновые или битумные эмульсии при контак­те с продуктами гидратации цемента осаждаются в виде мельчайших капелек парафина или битума на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные покрытия. В результате этого возникает кон­такт, имеющий обратный угол, при котором силы поверхност­ного натяжения выталкивают воду из пор (рис. 9.5, б).

При таком большом значе­нии угла контакта требуется напор воды 1—4 м для ее про­никания на поверхность через самые большие капилляры. Практически, однако," из-за на­личия неоднородных и непол­ных пленок, а также пустот в бетоне сопротивление обычно уменьшается до нескольких сантиметров напора воды. Со­ответственно добавки, снижаю­щие влаго- и водопроницае­мость, эффективны только тог­да, когда идет дождь; они препятствуют подъему влаги, но малоэффективны для конст­рукций, удерживающих воду.

9.4.4.2. Удобоукладывае - мость. Большинство материа­лов группы «а» (см. п. 9.4.1) является воздухововлекающи- ми, поэтому они улучшают удо - боукладываемость по сравне­нию с бетонами без добавки. Мелкие частицы парафиновых или битуминозных эмульсий также могут оказывать смазы­вающее действие.

9.4.4.3. Водоотделение и осадка. При применении рас­сматриваемых добавок в сме­сях со средним расходом цемен­та и низким значением осадки конуса при нормальной темпе­ратуре сцепление смеси уве­личивается. Мелкоизмельчен - ные добавки ухудшают удобо - укладываемость смесей с боль­шим расходом цемента из-за возрастания водопотребности. Удобоукладываемость смесей с низким содержанием цемента и мелкими заполнителями улуч­шается.

9.4.4.4. Характеристики схватывания. Введение реко­мендуемых доз добавок, снижа­ющих водопроницаемость, не­значительно влияет на сроки схватывания. Однако при ис­пользовании больших дозиро­вок добавок и высокой плас­тичности смеси возникает вы­сокое воздухововлечение, ко­торое выражается в замедле­нии сроков схватывания. Осо­бенно часто это может проис­ходить при низких температу­рах выдержки (<15 °С). Этот эффект значительно возрастает при одновременном примене­нии водопонижающей добав­ки.

9.4.4.5. Содержание воздуха. При использовании высоких доз добавок на основе мыл и хорошей удобоукладываемости бетона происходит вспенивание смеси из-за очень высокого содержания воздуха. Это явле­ние чаще встречается при вве­дении в бетон комбинации водо­понижающих агентов и доба­вок, снижающих водопроницае­мость.

9.4.4.6. Отделка. В зависи­мости от дозировки применяе­мой добавки и пластичности смеси повышенная сцепляе- мость может привести к обра­зованию «вязких» смесей. Это происходит в основном в смесях с высоким содержанием цемен­та и мелких заполнителей и при низком отношении В/Ц. В таких случаях могут потре­боваться изменения в составе смесей и использование круп­ного песка.

9.4.5. Затвердевший бетон. 9.4.5.1. Прочность при сжатии. В общем при применении эмуль­сий мыл и парафина наблю­дается некоторое снижение прочности при сжатии, в част­ности в бетонных смесях с вы­сокой прочностью, из-за возду­хововлечения, вызываемого применением этих добавок. Смеси с низким содержанием
цемента и жесткой консистен­цией (содержащие добавку) часто имеют повышенное зна­чение прочности по сравнению со смесями без добавок вслед­ствие улучшения уплотнения и характеристик водоотделения. Соответственно материалы с мелкими частицами отрицатель­но влияют на прочность сме­сей с высоким содержанием цемента и улучшают прочность смесей с низким содержанием цемента. Добавка порошков к смесям с высоким содержани­ем цемента увеличивает водо­потребность, что приводит к повышенному содержанию во­ды в такой смеси. В бедных цементом смесях эта добавка действует как заполнитель пор и улучшает удобоукладывае- мость.

9.4.5.2. Долговечность. Хотя добавки, снижающие влаго - и водопроницаемость, незначи­тельно улучшают стойкость к прониканию воды, утверждают, что присутствие даже неболь­ших количеств этих добавок улучшает морозостойкость [47]. Показано, что парафино­вые эмульсиц значительно улуч­шают характеристики морозо­стойкости [48]. Однако эти ре­зультаты нельзя непосредствен­но связать с эффектом водо­стойкости, так как указанные добавки снижают водоцемент­ное отношение и вовлекают до 4 % воздуха.

Снижение доступа воды улучшает эстетические характе­ристики заводских архитектур­ных бетонных изделий. Заметно уменьшаются выщелачивание и соответственно образование на­летов, портящих внешний вид изделий.

9.4.5.3. Проницаемость. Та­кие материалы, как мыла и мелко измельченные инертные заполнители, которые умень­шают плотность путем увели­чения содержания пустот в бе­тоне, снижают водонепроницае­мость. Аналогично материалы, которые уменьшают прочность бетона, увеличивают его прони­цаемость. Этот эффект проявля­ется в раннем возрасте твер­дения бетона.

9.4.6. Факторы, влияющие на эффективность добавок. Удобоукладываемость. При хорошей удобоукладывае - мости бетона образуется пена, если в качестве добавок ис­пользуют мыла, парафиновые и битумные эмульсии, особенно в больших дозах. В результа­те этого уменьшается плот­ность и снижается водонепро­ницаемость.

Присутствие других добавок в смеси. Исполь­зование водонепроницаемых до­бавок типа жирных кислот или парафиновой эмульсии в со­четании с водопонижающими добавками типа лигносульфо­натов или гидроксикарбоксиль - ных соединений приводит к значительному воздухововлече- нию и уменьшению прочности, в результате чего уменьшаются характеристики водонепрони­цаемости. При высокой удобо - укладываемости лигносульфо­наты противодействуют сниже­нию водоотделения, вызываемо­го парафинами, и увеличивают степень водоотделения [49].

Дозировка дЪбавки.

Использование добавки в боль­шей дозировке, чем рекомен­дуется, вызывает уменьшение плотности, прочности и водо­стойкости.

Содержание цемен - т а. Когда повышающие сте­пень водонепроницаемости до­бавки используются в богатых смесях, часто возрастает объем пор, что вызывает увеличение проницаемости, хотя степень абсорбции может снижаться.

Содержание мелких заполнителей в смеси. Применение добавок приводит к выделению воздуха, в связи с чем смеси с большим содер­жанием мелких заполнителей могут способствовать воздухо- вовлечению.

Перемешивание. Пло­хое перемешивание может сни­зить гидрофобные свойства по­верхности. Подобный же эф­фект возникает в конструк­ции из-за различного переме­щения влаги.

Условия выдержки. Эффективность этих добавок тесно связана с основными условиями выдержки в раннем возрасте. Водостойкость бе­тона увеличивается при вы­держивании. Наиболее решаю­щими являются первые 7 сут выдержки, так как основные характеристики бетона форми­руются в этот период [50]. Бетон с такими добавками не должен высыхать до истечения этого срока. Нельзя также ис­пользовать выдержку с переры­вами, так как если бетон высох, он не может быть снова увлажнен соответствующим об­разом.

9.4.7. Применение. Добавки, снижающие влаго - и водопро­ницаемость, используются для изготовления крыш, фундамент­ных блоков, оснований, резер­вуаров воды, бетонных блоков и при производстве архитектур­ных заводских бетонных изде­лий.

9.4.8. Стандарты и техни­ческие иормы. Национальные стандарты, включающие про­изводство и использование рас­сматриваемых добавок, отсутст­вуют. Определение эффектив­ности этих добавок всегда пред­ставляет проблему из-за труд­ности получения последователь­ных результатов при испыта­нии проницаемости [51, 52].

Методы испытаний для добавок, снижаю­щих влагопроницае - мость. Один из них заклю­чается в определении процента абсорбции (стандарт BS. 556, ч. 2, 1072). Водопоглощение измеряется как изменение мас­сы при фиксированном време­ни погружения. Хотя при этом нельзя получить абсолютные значения, данный метод ис­пользуется в тех случаях, где требуется лишь сравнитель­ная оценка. В другом методе (BS. 1881, ч. 5, 1970) при первоначальном испытании по­глощения определяется степень прохождения воды в бетон на единицу площади через задан­ный интервал времени после начала испытания.

Другое, более точное испы­тание, приведенное в работе [51], позволяет определить прохождение жидкости и паров, проникающих через бетон, или оценить влияние свойств мате­риала на прохождение влаги. Эти методы облегчают сравне­ние эффективности различных комплексных добавок, снижаю­щих влагопроницаемость.

Методы испытаний добавок, снижающих проницаемость. В этих испытаниях определяют влия­ние добавки на изменение во­допроницаемости. В общем ка­чественном методе используют­ся пористые бетонные цилинд­ры, которые подвергаются по­степенно увеличивающемуся давлению, сохраняемому на короткое время. Давление, при котором появляются капли вла­ги, измеряют и сравнивают с контрольным образцом из этого же замеса бетона, не содержа­щего добавки.

В другом, реже используе­мом методе, измеряют коэффи­циент проникания бетона в на­сыщенном состоянии [51]. Для сравнения проводят измерения через 7 сут.

Определение одно­родности добавок. Изме­ряются содержание активного твердого вещества, плотность (для жидкости) и содержание золы.