Добавки в бетон Справочное пособие

ДОБАВКИ ДЛЯ ТОРКРЕТИРОВАНИЯ БЕТОНА

9.10.1. Общие положения.

Добавки, используемые в тор - крет-бетоне, обычно подразде­ляются на четыре категории: ускорители, воздухововлекаю - щие агенты, замедлители и мелкоизмельченные инертные или активные гидравлические добавки. Однако, поскольку добавки трех последних катего­рий используются в тех же самых целях, что и в обычном бетоне, мы не будем рассмат­ривать их применение в торк­рет-бетоне. В этом разделе опи­сываются добавки, являющиеся сильными ускорителями процес­сов гидратации цемента.

К добавкам, которые ис­пользуются либо в мокром, либо в сухом торкрет-процессе, предъявляются следующие тре­бования [99]:

Быстрое схватывание: нача­ло и конец схватывания про­исходят соответственно в те­чение 3 и 12 мин;

Повышенная способность к образованию максимальной толщины слоя благодаря со­противлению разжижению;

Уменьшение потерь вещест­ва при восстановлении после деформации;

Увеличение скорости разви­тия прочности до 3,5—7,0 МПа;

Достижение полной прочнос­ти (28 сут), которая составляет не менее 30% прочности смеси, не подвергавшейся ускорению.

9.10.2. Виды ускорителей. Обычно используются сильные щелочи, СаСЬ и органические вещества; патентованные ве­щества, как правило, содержат эти ингредиенты в различных пропорциях и продаются как в жидком, так и в порошкооб­разном виде. В некоторых до­бавках в качестве единственно­го активного компонента может выступать только одно вещест­во (алюминат натрия). Как правило, основной ускоряющий компонент используется со­вместно с одной или несколь­кими другими добавками для получения нужных модифика­ций многокомпонентных доба­вок. К таким добавкам отно­сятся увлажняющие агенты, добавки-сгустители и стабили­зирующие агенты для жидкос­тей.

Несмотря на то что СаС12 применяется в определенных ус­ловиях, его доза не должна превышать 2 %, за исключени­ем тех случаев, когда требует­ся быстрое схватывание, чтобы стабилизировать наносимый слой цемента.

В условиях, благоприятных для развития коррозии, исполь­зование этого вещества в тор­крет-бетоне существенно огра­ничено. Широкое применение получили щелочи и другие химические вещества с сильно - основными свойствами.

Щелочной характер актив­ного ингредиента делает до­бавку чрезвычайно едкой, что требует осторожности в обра­щении с ним. В настоящее вре­мя производятся и продаются вещества с незначительной щелочностью, что существенно уменьшает опасность травма­тизма. Составы этих добавок держатся в строгом секрете, поэтому в публикациях соот­ветствующие данные представ­лены достаточно скудно.

9.10.3. Химический состав. Основным ингредиентом уско­рителя могут быть алюминат натрия, гидроксид либо карбо­нат натрия или кальция, три­этаноламин, сульфат трехва­лентного железа и фтористый натрий [101].

Натриевые соли гидрокар­боксильных кислот, например глюконаты и тартараты, могут использоваться как увлажняю­щие агенты. В качестве сгусти­телей обычно используются гли­ны (бентонит), шлак и дисперс­ный кремнезем. Полигидрокси - соединения применяются для стабилизации растворов алю­мината натрия [102].

9.10.4. Изготовление и ис­пользование. Дозы добавок по­рошкообразного ускорителя со­ставляют приблизительно 2— 6 % массы цемента. Количество жидкого ускорителя определя­ется в замесе по объемному соотношению: содержание воды по отношению к объему уско­рителя может находиться в диапазоне от 1:20 до 1:1. Разнообразные ускорители имеют различные концентрации твердых веществ, которые сле­дует учитывать при определе­нии количества добавки по объ­емным соотношениям. Не во всех случаях используются оп­тимальные концентрации, и там, где требуется быстрое твердение и раннее достижение высокой прочности, ' вводятся большие дозы. Однако техни­ческие условия могут допус­кать снижение максимальной прочности для смеси ускорен­ного твердения, что ограничи­вает количество применяемой добавки.

Дозирование и введение добавки. Порошкообразные добавки-ускорители, используе­мые в процессе сухого переме­шивания, обычно добавляются в бетон или раствор с ис­пользованием шнекового или спирального дозатора [99]. По­рошок подается под действием силы тяжести к спиральному питателю, транспортируется по трубопроводу и затем высы­пается в бункер, содержащий смесь. Дозы добавки регули­руются путем увеличения или уменьшения частоты вращения шнека. Дозатор добавки обыч­но располагается над конвейе­ром, загружающим смесь в тор­кретирующую машину. Это обеспечивает относительно рав­номерное распределение добав­ки в подав-аемых материалах. Скорость подачи добавки долж­на быть синхронизирована со скоростью подачи материалов, проходящих дозатор, таким об­разом, чтобы обеспечивалось требуемое для смеси соотно­шение цемента и ускорителя.

Если используются жидкие добавки, то они вводятся из резервуара с повышенным дав­лением в трубопровод вблизи расположения сопла. Требуе­мый объем воды обеспечивает­ся путем регулиррвания подачи добавки.

В настоящее время единст­венным надежным способом равномерного введения по­рошкообразных торкретных до­бавок непосредственно в мок­рую смесь около сопла явля­ется использование цилиндри­ческого питателя. Согласно этому способу, порошок спрес­совывается в виде цилиндра, который при помещении его в питатель постепенно измельча­ется и увлекается воздушным потоком в сопло. Ускоритель перемешивается с другими тор­кретными составляющими в со­пле и в процессе транспорти­ровки к обрабатываемой по­верхности. Количество подавае­мой добавки регулируется из­менением скорости перемеще­ния цилиндра в питателе.

Хранение. Порошкообраз­ные добавки чувствительны к влаге. Поэтому место хранения должно быть сухим и распо­лагаться выше уровня земли. Мешки с ускорителем тверде­ния должны размещаться на щитах не ниже 5 см от поверх­ности земли (пола). В мешках должна быть прослойка из пленки. Содержимое повреж­денных мешков следует исполь­зовать немедленно после по­вреждения или совсем не при­менять. Срок хранения порош­ка ограничивается 6—8 мес при соблюдении соответствую­щих условий хранения. Актив­ность вещества, как правило, начинает резко снижаться через 6 мес.

Особенности применения. Щелочные соединения, состав­ляющие основу данных доба­вок, представляют собой едкие вещества и требуют осторож­ности в обращении. Для умень­шения выброса необходимо тщательное перемешивание со­ставляющих. В процессе сухого .перемешивания заполнители должны быть хорошо покрыты цементом.

Поскольку торкретные до­бавки способствуют усадке, необходимо поддерживать ув­лажнение обрабатываемой по­верхности по меньшей мере в течение 7 сут. Температура окружающего воздуха должна поддерживаться у поверхности торкрет-бетона выше нуля по крайней мере в течение 7 сут [103].

Техника безопасности. Каус­тические вещества, содержа­щиеся в добавках, могут вы­звать раздражение кожи вплоть до серьезных ожогов. Боль­шинство составляющих счита­ется первичными раздражи­телями. Их непосредственное воздействие на кожу при доста­точной концентрации и в тече­ние продолжительного времени может вызвать дерматит. При применении жидких добавок ожоги могут возникать мгновен­но.

Вследствие серьезной угро­зы этих веществ для кожи и глаз необходимо предусмотреть средства индивидуальной за­щиты для всех, кто работает в непосредственной близости от торкрет-бетонной машины и сопла. Они включают блузу с длинными рукавами или комби­незон. Кроме того, до запуска машины на участки кожи, которые могут подвергаться воздействию едких веществ, необходимо нанести защитный крем или лосьон.

В случае попадания этих веществ на кожу необходимо промыть ее водой и протереть уксусом, после чего провести обработку защитным кремом. Любое попадание в глаза требует немедленного обраще­ния к врачу, при этом необхо­димо сразу же промыть глаза большим количеством воды [104].

9.10.5. Пластические свойст­ва бетона и раствора. Меха­низм. Большинство используе­мых добавок, вероятно, дейст­вует путем осаждения нераство­римых гидроксидов или других солей, что не исключает лож­ного схватывания. Калоримет­рические. исследования тепло­проводности показывают, что их основное воздействие на ран­нее упрочнение связано с дейст­вием на цементную фракций СзА. Реакция С3А усиливается в присутствии этих добавок, и уже в раннем возрасте бетона наблюдается быстрое упрочне­ние.

Консистенция смеси. В зави­симости от дозы добавки может получиться или смесь с хоро­шим сцеплением, или образо­ваться сухая пылевидная смесь. Высокое содержание цемента и оптимальные дозы (3—6 %) обычно обеспечивают образо­вание смесей с высоким сцеп­лением, которые способствуют хорошему нанесению слоев бе­тона.

Начало и конец схватыва­ния. При оптимальных уровнях дозировки начало схватывания может быть уменьшено до 3— 4 мин, в то время как период конца схватывания может ле­жать в пределах 12—15 мин. Применение более высоких доз еще больше сокращает это вре­мя.

9.10.6. Характеристики за­твердевшего бетона и раствора.

Применяемый метод укладки делает торкрет-бетон потенци­ально более неоднородным по сравнению с обычным бетоном. Следовательно, формирование физических и механических свойств, таких, как прочность, усадка, проницаемость и долго­вечность, резко отличаются от формирования свойств обычно­го бетона. Эти различия особен­но заметны на самых ранних и самых поздних стадиях твер­дения.

9.10.6.1. Прочность при сжа­тии. Пределы прочности обычно ниже (15—20%), чем у соот­ветствующих смесей, которые не содержат добавок при ис­пользовании как мокрого, так и сухого процесса перемешивания при оптимальных дозах доба­вок 2—4 %. Когда доза превы­шает 4 %, происходит резкое снижение прочности. Однако в особых условиях, например при предотвращении утечки воды, такое снижение приемлемо. В общем случае факторы, кото­рые вызывают в начальной фазе упрочнение бетона, по - видимому, оказывают отрица­тельное влияние на конечный предел прочности.

Использование ускорителей твердения в торкрет-бетонных смесях при применении регу­ляторов схватывания бетона обычно приводит к снижению прочности как в начальном, так и в более позднем воз­расте [100].

9.10.6.2. Прочность при рас­тяжении и изгибе. Показатели прочности при растяжении обычно меньше тех значений, которые можно ожидать исходя из значений прочности при сжатии. Это, по-видимому, от­ражает зависимость прочности при растяжении от слоистости и других дефектов в торкрет-- бетоне. Значения прочности при изгибе отражают аналогичную зависимость.

9.10.6.3. Модуль упругости. Как правило, зависимость меж­ду прочностью при сжатии и модулем упругости аналогична зависимости для обычного бе­тона. Как и для обычного бетона, соответствующая вы­держка обспечивает увеличение прочности во времени.

9.10.6.4. Прочность сцепле­ния. Высокая прочность сцеп­ления может быть достигнута

513

Между слоями торкрет-бетона и поверхностью щебня как при сухом, так и при мокром пере­мешивании при использовании добавок. Прочность сцепления увеличивается при увеличении дозы до 2 %, а затем при дальнейшем добавлении па­дает.

9.10.6.5. Усадка. Смеси, со­держащие добавку, имеют бо­лее высокие значения усадки по сравнению с соответствую­щими смесями без добавок. Усадка увеличивается с ростом дозы добавки и содержания воды в смеси как для мокро­го, так и для сухого торкрет­бетона [101].

9.10.6.6. Долговечность. Предварительные испытания показывают, что большинство патентованных ускорителей твердения отрицательно влияет на сопротивление попеременно­му замораживанию и оттаива­нию [105, 106].

9.10.6.7. Проницаемость. Поскольку добавки улучшают условия набрызга и миними­зируют выброс, улучшение про­ницаемости является спорным. Реальные испытания, однако, показывают, что этот эффект незначителен, и полученные значения близки к значениям, характерным для смесей без добавок.

9.10.7. Факторы, влияющие на взаимодействие добавок с торкрет-бетоном. На реакцию как мокрого, так и сухого процессов влияют два фактора: подбор состава смеси и усло­вия транспортирования, пре­обладающие во время разбрыз­гивания бетона. Факторы, свя­занные с подбором смеси, вклю­чают тип цемента и его со­держание, водоцементное от­ношение, совместимость цемен­та и добавки, а также наличие других добавок.

Цементы с более высоким содержанием СзА, например типа I и III, дают лучшие результаты по сравнению с це­ментами с низким содержанием СзА, например типа IV и V. При применении цемента более тонкого помола и высоком со­держании цемента реакция ускоряется. Изменения состава цемента и добавки в замесах влияют на их совместимость в смеси, что приводит к сни­жению развития ранней проч­ности и изменению прочност­ных характеристик. Обычные добавки, используемые для раз­жижения при подаче бетонной смеси насосом (в мокром про­цессе), часто замедляют твер­дение цемента.

Результаты торкретирова­ния во время разбрызгивания бетона зависят от дозы добавки, температуры смеси и окружаю­щего воздуха, водоцементного отношения, предварительной гидратации цемента и задерж­ки внесения добавки.

Введение высокой дозы до­бавки вызывает мгновенное схватывание, вследствие чего смесь получается слишком су­хой и не удерживается на поверхности набрызга. С дру­гой стороны, применение малых доз может привести к задерж­ке начала схватывания и расте­канию смеси. В любом случае это препятствует наращиванию слоев.

При температуре более 30°С наблюдаются ускорение схва­тывания, образование сухих смесей, увеличение выброса и снижение характеристик проч­ности. При температуре ниже 10 °С растягивается время схватывания и твердения и увеличивается стекание смеси с поверхности.

Предварительная гидрата­ция цемента из-за наличия вла­ги в заполнителе и задержки внесения добавки приводит к снижению ранней прочности.

9.10.8. Применение. Исполь­зование ускоряющих добавок в торкрет-бетоне ограничивается его высокой стоимостью, более низким пределом прочности и опасностью травматизма. Одна­ко в тех случаях, когда тре­буется обеспечить быстрое схватывание для ускоренного наращивания слоев и раннее развитие прочности для лучше­го удерживания наращиваемых слоев, а также предотвратить утечку воды, необходимо ис­пользовать ускорители тверде­ния. Как правило, ускорители применяются при сооружении подвесных конструкций, неко­торых вертикальных стен и в местах с высоким уровнем грунтовых вод. Их использо­вание в торкрет-бетоне предот­вращает образование натеков и стекание торкрет-бетона, а также уменьшает выброс ма­териала.

9.10.9. Стандарты и техни­ческие нормы. Специальные стандарты в данной области отсутствуют. Некоторые техни­ческие условия для торкрет­бетона требуют, чтобы добавки - ускорители удовлетворяли «Техническим условиям для химических добавок» ASTM-C - 494. Однако этот стандарт можно применять только час­тично из-за весьма специфичес­ких свойств добавок (таких, как быстрое схватывание).

Стандарт Американского института бетона «Рекоменда­ции по получению и применению торкрет-бетона» (АСІ 506-66) описывает применение торкрет­бетона в различных видах стро­ительства. Хотя в нем не упо­минаются какие-либо специаль­ные требования к ускорителям, используемым для обеспечения свойств быстрого схватывания, там содержатся требования к другим добавкам и составля­ющим бетона. В стандарте при­ведены способы применения и требования к оборудованию для сухого и мокрого процес­сов перемешивания. Достаточ­но подробно освещены методы испытаний торкрет-бетона.

Как правило, технические условия на торкрет-бетон со­держат следующие критерии качества добавок: тип и состав; концентрация активного ингре­диента в процентах; содержа­ние хлоридов; максимальное со­держание используемого уско­рителя; совместимость с приме­няемым цементом, определяе­мая требованиями к времени начала и конца схватывания, ранней прочностью и пределом прочности; вариации дозировки в зависимости от местополо­жения объекта, типа конструк­ции или требований к проч­ности.

Для контроля качества про­дукта проводят следующие стандартные испытания на со­вместимость цемента и добавки.

Сроки схватывания. Приме­няют модификацию метода ис­пытаний ASTM-C-266 по опре­делению сроков схватывания гидравлического цемента с по­мощью игл Джилмора. Моди­фикация в основном касается использования специальной стандартной чашки, разрабо­танной для испытания быстро - схватывающихся смесей. В этой чашке перемешивают компонен­ты, а затем проводят испыта­ния с применением игл. Метод исключает необходимость пере­кладывать тесто, поэтому ка­кие-либо воздействия на него сводятся к минимуму. При про­ведении испытаний требуется тщательный контроль темпера­туры окружающей среды, а так­же относительной влажности.

При использовании порош­кообразных добавок как в су­хом, так и в мокром процессе консистенция должна быть та­кой же, как при разбрызгива­нии смеси без добавок; как правило, водоцементное отно­шение составляет 0,43. Водоце­ментное отношение мокрой сме­си обычно на 20 % больше.

Прочность при сжатии. Па­раметры прочности обычно оп­ределяются в соответствии с ASTM-C-109, за исключением того, что водоцементное отно­шение в растворе составляет 0,4. Интервал времени, уста­новленный в этом стандарте, не соблюдается, поскольку не­обходимо, чтобы образцы сфор­мировались до начала схваты­вания раствора. Стандартное испытание на выброс состоит в набрызгивании материала на испытательную доску до требуемой толщины. Материал, утерянный в результате выбро­са, собирают на специальной пленке, которую раскладывают у основания испытательной па­нели. По окончании испытания производится взвешивание испытательной доски и собран­ного материала. Средний выб­рос вычисляют по формуле

Wr/(Wr+Ww),

Где Wr — масса материала, собран­ного на пленке; Ww — масса материа­ла на испытательной доске.

Контроль. В производствен­ных условиях однородность со­ответствия продукта принятым нормам проверяют следующими способами:

Путем определения физичес­ких и химических характерис­тик и сравнения их с данными продажной спецификации;

Путем осуществления техни­ческого надзора, отбора образ­цов и проведения их испыта­ний. Для отбора образцов уло­женного бетона обычно приме­няют взятие кернов в местах, указанных инженером или ин­спектором.