Добавки в бетон Справочное пособие
ДОБАВКИ, ОБЛЕГЧАЮЩИЕ ПОДАЧУ БЕТОНА И РАСТВОРА НАСОСАМИ
Хотя ряд химических добавок (воздухововлекающие агенты, водопонижающие и суперпластификаторы) используется для облегчения перекачиваемости, они не включаются в категорию добавок, облегчающих перекачку. Эти добавки широко используются в бетоне и поэтому рассматриваются как обычные составляющие бетона.
Добавки, облегчающие перекачку, используются для перекачки труднотранспортируе - мой насосами бетонной смеси, а не легкоперекачиваемой смеси. Они применяются главным образом для улучшения плас-' тичных свойств бетонной смеси в условиях, когда не предъявляются повышенные требования к прочности бетона.
9.6.1. Виды добавок. Материалы, используемые для облегчения перекачки, классифицируются в зависимости от их физических характеристик [60, 61].
Класс А. Водорастворимые синтетические и природные полимеры, повышающие вязкость воды смешивания.
Класс В. Органические водорастворимые флокулянты, которые абсорбируются на частицах цемента и увеличивают вязкость, способствуя силам притяжения между частицами.
Класс С. Эмульсии различных органических материалов, которые увеличивают притяжение частиц и также обеспечивают дополнительное увеличение супертонких частиц в цементном тесте.
Класс D. Неорганические материалы с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси.
Класс Е. Неорганические материалы, которые увеличивают число тонких частиц в растворном тесте.
9.6.2.1. Химический состав. Материалы, принадлежащие к классу А, включают эфиры целлюлозы, желатинизированные крахмалы, оксиды полиэтилена, альгинаты, жемчужный мох, полиакриламиды, полимеры карбоксивинила и виниловый спирт.
К материалам класса В относятся сополимеры стирола с карбоксильными группами, синтетические полиэлектролиты и природные каучуки.
Класс С включает парафиновые восковые эмульсии, которые нестабильны в водном цементном тесте, акриловые эмульсии и водные дисперсии глины.
К классу D относятся материалы, которые удерживают воду благодаря высокой удельной поверхности или необычным свойствам поверхности; они включают очень тонкие глины (бентониты), пирогенные кремнеземы, белую сажу, молотый асбест и другие волокнистые материалы.
Класс Е включает золу - унос, гидратированную известь, каолин, диатомит и другие сырьевые или обожженные пуццолановые материалы и различные горные порошкообразные материалы. К этому классу могут также относиться и другие материалы [62, 63].
9.6.3. Изготовление и использование. 9.6.3.1. Дозирование добавок. Для указанных классов добавок применяют следующую дозировку, % твердого вещества от массы цемента: класс А — 0,2—0,5; класс В — 0,01—0,10; класс С — 0,10—1,50; классы D и Е— 1—25 %.
Дозировки, превышающие 2% (классы D и Е), используются только для материалов, которые имеют отчетливую пуц - цолановую или гидравлическую активность. Введение добавки обычно производится путем замены цемента, при этом содержание цемента уменьшается на количество вводимой добавки. В некоторых случаях, когда важно сохранить проектную прочность, содержание цемента не уменьшается, при этом добавка применяется в меньших количествах.
Поскольку добавки применяются в небольших количествах, нужно соблюдать точность дозировки. Для жидких материалов следует использовать автоматизированное дозировочное оборудование. Для порошков можно применять общий объемный дозатор, например мерный сосуд, или дозировать материал по массе цемента. Некоторые производители поставляют на рынок материал в водорастворимой упаковке, которая содержит необходимое количество добавки (по массе). Эти упаковки подаются непосредственно в смеситель.
9.6.3.2. Введение добавки. Обычно добавки вводятся прямо в смеситель. Жидкие материалы, такие, как бентонит и парафиновые эмульсии, обычно дозируются с помощью автоматического оборудования с отмеренной водой затворения.
Тонкие порошки смешивают с мелким песком, так как они применяются в небольших количествах и всплывают в воде затворения. Материал добавляется сразу после загрузки заполнителей и короткого перемешивания перед загрузкой цемента. Для обеспечения гомогенности смеси требуется более длительное и тщательное перемешивание. Такие материалы, как оксид полиэтилена, эфиры целлюлозы и некоторые синтетические полиэлектролиты являются гигроскопичными веществами и имеют тенденцию образовывать медленно растворимые «комки», вступая в контакт с влагой. Поэтому для обеспечения равномерного распределения в бетоне следует перед подачей в смесь растворить их в воде. При использовании оксидов полиэтилена постепенная подача порошка в большом объеме воды, содержащей немного изопропанола, и тщательное перемешивание предохраняют от образования комков.
9.6.3.3. Складирование и
Хранение. Некоторые порошки образуют легко впитываемую влагу, когда эмульсии подвержены коагуляции или поглощаются твердой фазой вещества при замораживании. Необходимо хранить эти материалы в сухом месте при нормальной температуре (20—22 °С). Максимально возможный срок их хранения не должен превышать 6—9 мес. Необходимо, чтобы производитель сообщил эти данные перед использованием материалов.
9.6.3.4. Предосторожности. При использовании порошков первоначальное перемешивание приводит к получению жесткой консистенции смеси, однако по мере растворения полимеров при дальнейшем перемешивании образуется более пластичная смесь. Поэтому рекомендуется ограничивать введение избыточной воды на начальных стадиях перемешивания.
9.6.4. Свойства пластичного бетона. 9.6.4.1. Механизм. Для обеспечения хорошей подачи бетона насосом смесь должна отвечать двум требованиям: а) достаточное содержание теста для образования кольцевой пленки жидкого раствора на стенке трубы, действующей как скользкая поверхность; б) соответствующая пластичность жидкого раствора и межпоровой структуры для создания достаточного сопротивления вынужденному водо - отделению из цементного теста для предотвращения обезвоживания теста под давлением насоса.
Добавки классов А, В и С действуют путем повышения вязкости цементного теста. Материалы классов D и Е влияют на структуру пустот, выступая в качестве заполнителей пор, хотя увеличенное содержание мелких частиц часто усиливает смазывающее свойство смеси.
9.6.4.2. Удобоукладывае - мость. Поскольку рассматриваемые добавки в основном используются для тощих и жестких (с низким содержанием цемента) смесей, они обычно улучшают удобоукладывае- мость. Этот. эффект, однако, в значительной степени зависит от состава бетона. Использование этих добавок в большем, чем оптимальное, количестве может привести к значительному сгущению смеси и высокой водопотребности при среднем содержании цемента в смесях, а поэтому ухудшит удобоукладываемость.
Влияние добавок тонких неорганических порошков на удобоукладываемость зависит от дозировки и состава смеси. Применение больших дозировок при низком содержании цемента в смесях значительно улучшает удобоукладываемость смесей.
9.6.4.3. Характеристики схватывания. Эфиры целлюлозы, крахмал и оксид полиэтилена являются потенциальными замедлителями. При высоких водоцементных отношениях смесей, используемых при перекачке, сроки схватывания удлиняются даже при применении рекомендованных дозировок.
9.6.4.4. Водоотделение и осадка. Большинство добавок уменьшают и степень, и объем водоотделения, при этом эффект возрастает при увеличении количества добавки. Использование более высоких, чем заданное, количеств добавок полиэлектролитов и эмульсий парафинов может приводить к значительно более высокому водо - отделению, что вызовет обратное желаемому действие. Таким же образом некоторые полиэлектролиты и парафиновые эмульсии, приводя к уменьшению объема водоотделения, могут увеличить начальную скорость водоотделения [49, 64]. Материалы с высокой удельной поверхностью — зола-унос и белая сажа — повышают водоудерживающую способность смеси.
9.6.4.5. Содержание воздуха. Добавки типа классов А, В и С имеют отчетливо выраженные свойства поверхностно-актив- ных веществ, которые уменьшают поверхностное натяжение водной фазы смеси. Соответственно использование дозировок выше оптимальных приводит к неоправданному содержанию вовлеченного воздуха.
9.6.5. Затвердевший бетон и раствор. 9.6.5.1. Прочность при сжатии. Небольшое снижение прочности, в частности в раннем возрасте, связано со средним содержанием цемента в смеси. Степень уменьшения прочности зависит от дозировки добавки, процента вовлеченного воздуха, осадки конуса или пластичности и степени замедления схватывания. Высокое содержание инертных тонкоизмельченных добавок классов D и Е увеличивает водопотребность и соответственно дает более слабую матрицу. Смеси с низким содержанием цемента обычно улучшаются в результате использования этих добавок благодаря лучшей удобоукладываемос - ти, что позволяет применять более низкие водоцементные отношения при одновременном увеличении прочности.
9.6.5.2. Усадка. Добавки, которые обусловливают использование повышенного содержания воды в смеси, приводят к увеличению усадки при высыхании.
9.6.6. Факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики добавок, улучшающих перекачку бетона. 9.6.6.1 Содержание цемента. При среднем или высоком содержании цемента в бетоне использование добавок мало способствует облегчению его подачи. Часто вы - сокотиксотропные смеси получаются даже при минимальных рекомендованных дозировках. Поэтому важно, чтобы были подобраны необходимые дозировки для специфичных составов смесей при использовании их в производстве.
9.6.6.2. Температура. Бетон при движении по трубопроводу разогревается от создаваемого им трения. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект усиливается. В таких условиях может оказаться необходимым применение замедлителя совместно с загустителем.
9.6.6.3. Характеристики мелких заполнителей. Использование добавок, облегчающих подачу бетона в смесях с высоким процентным содержанием мелкого песка (модуль крупности меньше 2,6), приводит к ухудшению перекачиваемости из-за высоких показателей сцепляемости и трения в трубопроводе.
9.6.6.4. Совместимость с другими добавками. Поскольку большинство материалов классов А, В и С обладает отчетливо выраженными поверхностно-активными свойствами, при их использовании вместе' с другими добавками, например водо - понижающими, нужно проверить, не оказывают ли они побочное действие на пластичный и затвердевший бетон.
9.6.7. Применение. Для перекачки бетонных смесей низкой прочности (содержание цемента менее 150 кг/м3) добавка используется как наполнитель бетона. Такие смеси обычно содержат мало мелких частиц, и затруднения при перекачке возникают из-за сегрегации, которая происходит, когда жидкий раствор очень быстро протекает через каналы пустот.
Эти добавки увеличивают вязкость воды, что позволяет получить тесто с хорошей сцепляемостью и пониженным водоотделением. Давление, развиваемое насосом, затем передается всем составляющим смеси.
Эти материалы также используются в сочетании с водо - понижающими добавками в тампонажных цементирующих растворах для уменьшения трения в трубопроводе и быстрой потери воды. Кроме того, их применяют для подливки раствором предварительно напряженных трубопроводов и для последующего напряжения.
Смеси с низким содержанием цемента (меньше 200 кг/м3) и отношением цемент: заполнитель от 1 : 7 до 1 : 10, обычно не используемые для конструкций, будут иметь улучшенные свойства при применении добавок классов А, В и С. Для смесей с отношением цемент : заполнители больше, чем 1 : 10, добавки классов D и Е непригодны [49].
9.6.8. Стандарты и технические нормы. В странах Северной Америки и Европы отсутствуют стандарты и технические условия, регулирующие использование рассматриваемых добавок. Ассоциация стандартизации Австралии опубликовала документ [61], в котором содержится информация о свойствах и методах использования этих добавок.
Методы испытаний или оборудование длд лабораторного определения перекачиваемости бетона не разработаны. Поэтому ее характеристики получают косвенно путем определения других свойств бетона, которые связаны с ней определенными соотношениями. Отсюда косвенные указания на эффективность добавки могут быть получены из значений этих свойств. Для определения таких свойств используются следующие методы испытаний.
Испытание на водоотделение — метод испытаний ASTM-
С-243 для определения водоотделения цементного теста из растворов, а также модификация этого метода для испытания бетонных смесей [65] используются для получения данных об объеме и скорости водоотделения бетона. Эти испытания позволяют получить данные относительно разделения смеси.
Методы испытания для определения потери воды под давлением. Для определения водо - удерживания в бетоне и растворе, укладываемых с помощью добавок, облегчающих их перекачку, используются следующие методы:
Испытание Американского нефтяного института по определению потери текучести в тампонажных цементах [66];
Испытания путем продавли - вания через пучки проволоки [67].
В обоих методах применяются фильтр-прессы для измерения объема воды, который отделяется в растворе под давлением.
Испытание на перекачивае - мость (испытание на водоотделение под давлением) [68]. В этом методе бетон подвергается действию давления 3,5 МПа. Разница в объеме отделяемой воды, которая просачивается в течение двух интервалов времени, соответствует способности к перекачке бетона при данной осадке конуса. При построении графика на основе значений, полученных по разности объемов отделяемой воды в указанные два интервала времени при различных осадках конуса, получается линия, отделяющая перекачиваемые смеси от тех, которые нельзя перекачивать.
Модель технологической схемы перекачки бетона [69]. Этот метод испытаний применяется для определения влияния размера пустот в заполнителях, объема пустот и эффективности добавок для бетона с низкой степенью перекачиваемости. Для определения вторичных эффектов действия добавок на такие свойства, как прочность, время схватывания и процент вовлеченного воздуха, применяется стандарт ASTM-C-494.
Результаты этих испытаний позволяют получить данные для подбора состава смеси. Однако для подтверждения этих результатов нужно провести полномасштабные испытания при разнообразных условиях эксплуатации и действительных рабочих характеристиках. При этом необходимо учитывать дозирование смесей, перемешивание в автобетоновозах, тип насосов и рабочих циклов, высоту и расстояние для подачи бетона рукавами. Такие испытания позволяют установить правильную дозировку добавки.
Для облегчения перекачки бетона с низким содержанием цемента можно успешно применять флокулирующие добавки (см. далее табл. 9.7).