Добавки в бетон Справочное пособие

РАСШИРЯЮЩИЕ ДОБАВКИ

9.2.1. Общие сведения. До­бавки, используемые для пред­отвращения действия усадки как в пластичном, так и в за­твердевшем бетоне или раство­ре, делятся на три катего­рии:

Добавки, которые контроли­руют осадку и обеспечивают расширение в пластичном сос­тоянии; к ним относятся газо­образующие материалы;

Добавки, которые контроли­руют осадку, обеспечивая рас­ширение в пластичном и за­твердевшем состоянии; они сос­тоят из сульфоалюмината каль­ция и материалов на основе извести;

Добавки, которые не конт­ролируют осадку, но обеспечи­вают расширение только в зат­вердевшем состоянии; они сос­тоят из гранулированного желе­за и химических веществ, кото­рые способствуют окислению железа в присутствии влаги и воздуха.

9.2.2. Газообразующие до­бавки. Эти добавки приме­няют в основном для преду­преждения объемных измене­ний, вызываемых осадкой и пла­стичной усадкой, при использо­вании небольших доз и для производства ячеистого и само­напряженного бетона при ис­пользовании больших доз. Газо - образующие добавки разде­ляются на два класса:

Однокомпонентные, состоя­щие главным образом из газо - выделяющего агента и неболь­шого количества других ингре­диентов, применяемых для ста­бильности пузырьков и ускоре­ния газовыделения;

Многокомпонентные, кото­рые содержат различные хими­ческие вещества, вводимые для уменьшения водопотребности и увеличения прочности.

9.2.2.1. Химический состав. В качестве однокомпонентных добавок применяются разнооб­разные металлы и другие мате­риалы. Металлические Al, Mg или Zn используются для выде­ления водорода [1], Н2О2 — кислорода [2], соединения, со­держащие азот или NH3, выде­ляют азот [3], а определенные виды активированного угля или обезвоженного кокса — воздух [4, 5]. Порошковый А1 исполь­зуется чаще, чем другие мате­риалы.

Для получения водорода применяется неотшлифован­ный А1. Можно использовать и шлифованный А1, но реакция при этом протекает более мед­ленно. Кроме того, можно при­менять покрывочный лак по стандарту 100 меш, исполь­зуемый в производстве красок.

Кислород получают из сме­си гипохлорита кальция с Н2О2. Отношение гипохлорита (70 % активного хлора) к Н2О2 (30 %-ный раствор) боль­ше или равно 1,5 [2].

Материалы, применяемые для получения азота, состоят из агента, обеспечивающего вы­деление N2, органического или неорганического (предпочти­тельно азосоединения или его производного—гидразина), и активатора [6]. Агент, обес­печивающий выделение N2, дол­жен содержать, по крайней мере, одну связь N — N в мо­лекуле. В качестве активаторов используются алюминаты и соли меди.

Воздуховыделение в системе цемент — вода обеспечивается применением обезвоженного кокса или некоторых форм активированного угля, прохо­дящего через сито 300 меш. Для стабильного действия обез­воженного кокса требуется со­держание влаги 3 %.

Многокомпонентные добав­ки обычно используются для конструкционной заливки жид­ким раствором (например, ос­нований под машины) и це­ментации пористых образова­ний в нефтяных скважинах. Хотя в некоторых случаях растворные добавки могут быть однокомпонентными, большин­ство добавок, имеющихся на рынке, включают две или более добавки следующих типов: газообразующие; улучшающие обрабатывае­мость (снижающие водопотреб­ность, пластификаторы); замедлители; ускорители;

Добавки, стабилизирующие гели (водоудерживающие, спо­собствующие сцеплению, тик - сотропные добавки или флоку- лянты);

Пуццолановые или гидрав­лические добавки, например шлак.

К добавкам, уменьшающим водопотребность, относятся лигносульфонаты Са или Na и сульфированные конденсаты нафталина или меламинфор- мальдегида. Замедлителями обычно являются натриевые соли оксикарбоновой кислоты, ускорители включают кальци­нированную соду и алюминаты натрия. Сгущающие добавки, такие, как глины и эфиры целлюлозы, обычно использу­ются для увеличения водоудер - живания и уменьшения отде­ления цементного молока. Хотя запатентованные добавки этого типа имеются на рынке, их во многих случаях предварительно смешивают с песком и добав­ками на предприятиях, выпус­кающих жидкий цементный раствор.

Цементирующие добавки для нефтяных скважин состоят из ряда композиций, предназ­наченных для широкого диа­пазона условий работы сква­жин, их глубины и темпера­туры. Дополнительно к добав­кам типа жидких растворов для цементирования нефтяных скважин можно использовать порошок А1 со специальными добавками трех типов. Это во - доудерживающие, уплотняю­щие или уменьшающие плот­ность и воздухововлекающие добавки. Порошок А1 покрыва­ют медленно растворяющейся водорастворимой смолой (нейт­рализованная винсоловая смо­ла) для получения следующих свойств, которые повышают эффективность реакции:

Задержка расширения до тех пор, пока цементный жидкий раствор или цементное тесто не достигнет места назначения;

Уменьшения влияния высо­ких температур и давления на реакцию газовыделения;

Достижение заданного рас­ширения на требуемой глуби­не;

Стабилизация пузырьков га­за и предотвращение слипания по мере того, как увеличи­вается высота подъема жидко­го раствора.

При этом используют замед­лители трех типов: 1) крах­малы или продукты переработ­ки целлюлозы; 2) сахара; 3) кислоты или соли, содержащие одну или несколько гидро - ксильных групп, которые обыч­но выбирают по их устойчи­вости к воздействию высоких температур.

Водоудерживающими до­бавками обычно являются гели, глины, латексные эмульсии или эфиры целлюлозы. Воздухо­вовлекающие добавки, напри­мер винсоловая смола, стабили­зируют газовые пузырьки при использовании железа, баритов и бентонитов для увеличения или уменьшения плотности жидкого раствора. Добавки обычно предварительно сме­шивают с соответствующим цементом в дозах, которые зависят от условий укладки

[7].

9.2.2.2. Подготовка и ис­пользование. Подготовка. Алюминиевый порошок, исполь­зуемый как в однокомпонент - ных, так и в многокомпонент­ных добавках, получают путем помола в валковых или шаро­вых мельницах с дальнейшим "просеиванием и очисткой. Для неполированного материала последняя стадия исключается. Обычно добавляют стеарино­вую кислоту или другие жир­ные кислоты для предотвраще­ния агломерации частиц. Ис­пользуемый в многокомпонент­ных добавках порошок грунту­ется и складируется навалом в виде предварительной смеси. Грунтовку обычно проводят путем перемешивания алюми­ниевого порошка в растворите­ле или в водном растворе водорастворимой смолы (вин - соловая смола или карбокси - виниловый полимер) до образо­вания прочного геля. Смесь за­тем распыляют и сушат при невысокой температуре. Обра­зующиеся комки затем измель­чают в молотковой мельнице и разделяют рассеиванием до необходимого размера (30 меш).

Обезвоженный кокс, полу­чаемый в процессе перегонки нефти, или просеивается, или разделяется путем процесса мокрого дробления до требуе­мого размера частиц (30 меш). Этот кокс обычно высушивает­ся для удаления большей части воды, содержащейся в порах; допустимый остаток влаги сос­тавляет 3 % при воздействии холодного воздуха.

Системы, выделяющие N2 и Ог, представляют собой хими­ческие промышленные реаген­ты, которые подбирают для получения требуемых количеств газа.

Многокомпонентные добав-

* ки, используемые в тампонаж - ных цементных растворах и ячеистом бетоне, смешивают в определенных количествах с другими добавками или хими­калиями для получения запа­тентованных продуктов, кото­рые обеспечивают заданные свойства бетона и раствора.

Получение готового продукта. Поскольку ис­пользуются только небольшие количества добавок, а также в связи_ со свойствами алю­миниевого порошка и части обезвоженного кокса всплывать в воде эти материалы перед подачей в смесь обычно пере­мешивают с заполнителями — песком, золой-уносом или Са(ОН)г. Подача добавок обычно осуществляется в мик­сере ручным способом. Зна­чительные количества исполь­зуемых добавок смешиваются на заводах с цементно-песча - ными растворами.

Введение добавки. Все используемые материалы (кроме Н2Ог) представляют со­бой порошки. Их тщательно взвешивают и загружают в миксер. Эти материалы обыч­но добавляют к мелким фрак­циям заполнителей, 1 мин пере­мешивают, а затем снова пере­мешивают в течение 3—5 мин с другими составляющими сме­си. Дозировку перекиси водо­рода в смесь осуществляют с помощью автоматических устройств для добавок или вручную.

Хранение. Однокомпо- нентные добавки, состоящие только из порошка металла, должны быть упакованы в

Прочные контейнеры, выдер­живающие перемещения с по­мощью механизмов. Эти мате­риалы нельзя хранить в местах с высокой влажностью и тем­пературой во избежание обра­зования конденсата. Обезво­женный кокс также следует хранить в сухих помещениях.

Сроки хранения всех видов добавок зависят от типа упа­ковки и условий хранения. При соответствующих условиях хра­нения и правильной упаковке материалов, содержащих по­рошок А1, они могут хранить­ся в течение 6 мес.

Особенности при­менения. Продолжитель­ность газовыделения опреде­ляет стабильность объема. Если оно заканчивается задол­го до схватывания бетона или раствора, то последующая осадка начинается с момента прекращения газовыделения и продолжается до начала схва­тывания материала. Для не­напряженного бетона расшире­ние не должно происходить до тех пор, как бетон не наберет достаточную прочность, иначе расширяющие усилия разрушат бетон.

Чтобы ограничить осадку, и потенциальное разрушение, необходимо уменьшить интен­сивность и увеличить продол­жительность выделения газа. Предварительное покрытие га­зообразующего агента водо­растворимой пленкой обычно обеспечивает необходимую про­должительность и интенсивность реакции [1]. Степень раство­римости покрытия, его толщи­на влияют на интенсивность и начало выделения газа. При уд­линении периода перемешива­ния материала газ выделяется с соответствующей потерей по­тенциала расширения.

Техника безопаснос - т и. Алюминиевый порошок представляет собой очень реак - ционноспособный материал и часто образует взрывчатые сме­си во взвесях пыли [8]. Однако большинство имеющихся на рынке материалов подвергается атмосферному воздействию и поэтому не возгорается без внешних источников. Необходи­мо соблюдать следующие тре­бования техники безопасности: избегать образования пылевоз - душных взвесей; избегать от­крытого огня вблизи производ­ственных и складских помеще­ний; предупреждать появление электростатических зарядов путем заземления оборудова­ния.

9.2.2.3. Свойства пластич­ного бетона. Механизм. Газообразный водород обра­зуется при реакции щелочных составляющих свежей цемент­ной смеси с порошком А1. Мельчайшие пузырьки газа проходят через массу, застав­ляя ее расширяться. Продол­жительность реакции обычно составляет 1 —1,5 ч; выделение газа, как правило, прекращает­ся перед схватыванием цемента.

Хотя механизм, при котором происходит расширение как в жидких растворах, так и в ячеи­стых бетонах, содержащих по­рошок А1, в основном одина­ков, однако процесс производст­ва последних требует более тщательного контроля реакции.

Для обеспечения полноты реак­ции к смеси обычно добавляют гидроксид натрия.

В системах, выделяющих Ог, реакция между гипохлоритом кальция (хлорной известью) и Н2О2 происходит с образо­ванием СаСЬ, который уско­ряет реакцию [9].

Газообразный азот выде­ляется в результате разложе­ния при действии активатора (соли Си) на связи N — N азотсодержащих молекул.

Частицы обезвоженного кок­са освобождают воздух, когда вода или водная цементная фаза замещает воздух, содер­жащийся в порах частиц. На интенсивность реакции влияет содержание влаги частиц перед добавлением воды в смесь. Оп­тимальное содержание влаги составляет 3 %.

Реакции газовыделения, происходящие в добавках жид­ких растворов, предварительно смешанных жидких растворах и тампонажных цементирую­щих составах, в основном ана­логичны реакциям, протекаю­щим в однокомпонентних до­бавках. Однако другие компо­ненты этой добавки вызывают вторичный эффект, в резуль­тате которого изменяется ско­рость реакции. Винсоловая смо­ла, нанесенная на порошок А1, может значительно замед­лить реакцию и снизить степень выделения газа.

Требования ко всем газоге - нерирующим добавкам могут быть упорядочены, так как при известном количестве газообра­зующего агента, реагирующего с химикалиями, добавленными или присутствующими в вяжу­щей смеси, образуется извест­ный объем газа с заданной степенью расширения.

Снижение водопот­ребности. Однокомпонент - ные добавки, содержащие газо­образующий агент в качестве единственного активного ингре­диента, не влияют на снижение водопотребности смеси. Ис­пользование добавок, снижаю­щих водопотребность, супер­пластификаторов, замедлителей и воздухововлекающих агентов в сочетании с газообразую­щими добавками обеспечивает снижение водопотребности. Степень снижения водопотреб­ности зависит от количества и вида используемых добавок.

Удобообрабатывае - м о с т ь. При обычных дози­ровках однокомпонентные до­бавки оказывают незначитель­ное влияние на удобообрабаты - ваемость бетона и раствора. Многокомпонентные добавки, содержащие замедлители, сни­жающие водопотребность при использовании в жидких раст­ворах и цементных тампонаж­ных составах, обеспечивают хорошую удобообрабатывае - мость, которая сохраняется длительное время. Часто на­блюдается синэргетическин эф­фект, который дает очень высо­кую степень сцепления смесям, обладающим удобообрабатыва - емостью. В тощих и жестких смесях использование добавок с высоким газовыделением дает консистенцию «масла».

Уменьшение осадки конуса. Уменьшение осадки конуса стимулируется добавка­ми, содержащими ускорители. Добавки, содержащие водо - удерживающие вещества, и до­бавки, уменьшающие водопо - требность, сохраняют высокую удобообрабатываемость в тече­ние более длительного перио­да.

Водоотделение и осадка. Эти добавки предуп­реждают пластичную усадку в бетонах и растворах обычной плотности. При использовании конструкций, у которых высота во много раз превышает тол­щину (вертикально ориентиро­ванные пучки проволоки с последующим напряжением), водоотделение предотвращает­ся при применении водоудер - живающих добавок с газообра­зующим агентом.

Характеристики схватывания. Введение газовыделяющих добавок не влияет на нормальные начало и конец схватывания бетонов и растворов обычной плотности. Однако при использовании сов­местно с газовыделяющим аген­том ускорителей, водопонижаю­щих, замедляющих или сгуща­ющих добавок схватывание ус­коряется или замедляется в за­висимости от вида применяемой добавки. Сильные замедлители, обычно применяемые с тампо - нажными составами, удлиняют время схватывания. При произ­водстве ячеистого бетона к порошку А1 добавляют NaOH, ЫазР04 или СаСЬ, которые способствуют ускорению схва­тывания.

9.2.2.4. Затвердевший бетон или раствор. Пузырьки газа, выделяемые при реакции газо-

Выделения, равномерно распре­деляются в затвердевшем бето­не. В зависимости от факто­ров, воздействующих на эту реакцию, получают бетон опре­деленного состава с соответст­вующими физическими харак­теристиками; к важным факто­рам относятся объем и время расширения.

Изменения объема. Хотя расширение происходит в пластичном состоянии и пред­отвращает пластичную усадку у схватившегося раствора и бетона, расширение не оказы­вает влияния на последую­щую усадку, вызываемую высы­ханием или карбонизацией (рис. 9.1).

Раствор и ячеистый бетон, содержащие газообразующие
агенты, дают более высокую усадку при высыхании, чем обычные бетоны и растворы [2]. Жидкие растворы с добавками имеют ограниченное расшире­ние после твердения, которое больше, чем в исходных сме­сях [10].

Прочность. При ограни­чении расширения бетона или раствора наружным давлением использование всех газовыде- ляющих систем практически не дает снижения прочности. Од­нако при снятии ограничений пузырьки газа проникают к поверхности, и однородность их распределения в растворе нарушается. При этом могут возникнуть многочисленные го­ризонтальные трещины, связан­ные со значительным сниже­нием прочности (рис. 9.2). Этот эффект возрастает при увеличении количества добав­ки.

Другие добавки в много­компонентных материалах влияют на показатели прочно­сти. Водопонижающие и пред­отвращающие расслоение до­бавки уменьшают пористость и увеличивают прочность. Уско­рители или замедлители влияют на степень развития прочно­сти в раннем возрасте.

В ячеистых бетонах проч­ность связана с плотностью бетона. Материалы плотностью 160—320 кг/м3 имеют низкую прочность, а плотностью 560— 1600 кг/м3 могут использовать­ся в качестве конструкцион­ных. Плотность может регули­роваться в зависимости от количества используемого газо - выделяющего агента.

Плотность. Во время образования системы пор в ре­зультате газовыделения мель­чайших пузырьков плотность бетонов и растворов, содер­жащих газообразующие аген­ты, обычно ниже, чем в сме­сях без добавок. Плотность зависит от дозировки добавки, степени ограничения выделения газа, состава смесей, консис-

Тенции смеси и стабильности пузырьков газа. Образование системы пор снижает модуль упругости в тем большей степе­ни, чем больше добавки.

Большинство изделий, при ' производстве которых исполь­зуются газовыделяющие аген­ты, не должны подвергаться истиранию. Исходя из соотно­шения между прочностью при сжатии и сопротивлением исти­ранию можно отметить, что уменьшение прочности при сжа­тии вызывает уменьшение стой­кости к истиранию.

Долговечность. Име­ется очень мало данных о мо­розостойкости бетона и раство­ра, содержащих газовыделяю­щие добавки. Несмотря на это, жидкие растворы, обычные ра­створы и бетоны с газообразую­щими добавками успешно ис­пользуются в наружных изде­лиях. Изучение под микроско­пом срезов кубиков размером 5X5 см из жидкого раствора с газообразователем показывает, что распределение пузырьков и другие параметры воздушных пор, требуемые для обеспечения морозостойкости, могут быть достигнуты в условиях ранее указанных ограничений [12]. Ячеистые бетоны (как при влажной выдержке, так и при автоклавной обработке) имеют большую морозостойкость, чем та, которую можно ожидать ис­ходя из значений пористости [2]. Стойкость к прониканию хлоридов в бетон, содержа­щий газовыделяющие добавки, увеличится, если бетон или рас­твор имеет ограниченное рас­ширение. Влияние сульфатов определяется типом цемента и водоцементным отношением.

9.2.2.5. Факторы, влияющие на выделение газа. На ско­рость и продолжительность реакции газовыделения влияют следующие факторы: тип до­бавки и ее количество; состав и тонкость помола цемента; температура окружающей сре­ды и смеси; содержание воды и консистенция смеси: состав смеси; наличие в смеси других добавок.

Тип газовыделяю - щей добавки и ее коли­чество. Степень газовыделе­ния зависит от типа применяе­мого порошка алюминия — неполированного, полирован­ного или с покрытием. Мате­риал с покрытием обеспечива­ет более плавный ход реакции и позволяет максимально ис­пользовать ее возможности.

На протекание этой реакции влияют тонкость помола и коли­чество влаги, присутствующей в частицах кокса. В системах, выделяющих азот, интенсив­ность его выделения зависит от типа газовыделяющего аген­та. Степень и интенсивность реакции пропорциональны ко­личеству используемой добав­ки. Применение различных до­зировок приводит к различным изменениям расширения и плот­ности.

Состав и. тонкость помола цемента. Исполь­зование цементов с высоким со­держанием щелочей и большой удельной поверхностью при­водит к ускорению выделения газа в бетонах, содержащих порошок А1. Реакция в сис - темах, выделяющих N2 и 02, инициируется и контролируется активаторами, включенными в смесь, поэтому степень и про­должительность таких реакций не зависят от состава цемен­та и тонкости его помола.

Состав смеси. Свойст­ва составляющих смеси и их соотношения зависят от коли­чества газовыделяющей до­бавки, необходимой для полу­чения заданного расширения.

Консистенция сме - с и. Количество воды для зат­ворения и консистенция смеси влияют на продолжительность и скорость реакции выделе­ния Н2. При увеличении содер­жания воды интенсивность реакции сначала возрастает, по достижении же определенного содержания воды и консистен­ции наблюдается обратная тен­денция. Максимальное расши­рение зависит от типа цемен­та, заполнителей и оптималь­ного количества воды затворе­ния. В табл. 9.1 показано влияние этих факторов на реак­цию расширения в портланд-

Цементных жидких растворах [11]. Хотя консистенция сме­си непосредственно не влияет на реакцию выделения N2 или Ог (свободные щелочи не нуж­ны для этой реакции), очень высокая плотность может воз­действовать на механизм рас­ширения, особенно если значи­тельные количества газа выде­ляются из жидкой смеси пе­ред схватыванием цемента.

Температура. Реакция расширения, протекающая в присутствии порошка алюми­ния, в значительной степени зависит от температуры. При температуре 30 °С реакция мо­жет быть закончена в тече­ние 20 мин, а при 5 °С она может не завершиться и за несколько часов. При темпера­туре 5 °С требуется вдвое боль­шее количество добавки для по­лучения такого же расширения, как при 20 °С. В табл. 9.2 показано влияние температуры окружающей среды на расши­рение перед схватыванием. При температуре выше 30 °С реак­ция ускоряется в такой степени, что расширение практически за­канчивается до того, как уложе­ны бетон или раствор.

Температура не влияет не-

Посредственно на реакции выде­ления N2 и Ог, а также на воздуховыделяющие системы.

Влияние других хи­мических добавок. Гид - роксид натрия, добавляемый к смеси при производстве ячеис­того бетона, ускоряет реакцию и обеспечивает ускоренное и полное участие порошка А1 в реакции. В результате реакции Н2Ог с гипохлоритом СаСІг получают в количествах, доста­точных для быстрого схватыва­ния смеси. Такие материалы, как сапонин и нейтрализован­ная винсоловая смола, исполь­зуются в ячеистом бетоне для стабилизации структуры ячеек и предотвращения улетучива­ния газа из смеси до твер­дения. Стабильность газовых ячеек улучшает однородность структуры пор и повышает прочность.

Условия перемеши­вания. Скорость перемеши­вания, его продолжительность и тип используемого смесителя определяют количество газо - выделяющей добавки, необхо­димой для получения требуемо­го расширения. Удлиненные сроки перемешивания отра­жаются на потере генерируе­мого газа, вызывая уменьше­ние объема.

В ячеистом бетоне на сте­пень выделения газа влияют по­следовательность добавления Н2О2 и гипохлорита к смеси. Расширение происходит более постепенно, если в первую оче­редь добавляют Н2О2.

9.2.2.6. Применение. Газо - выделяющие добавки исполь­зуют при приготовлении бето­на и жидкого раствора для до­стижения следующих целей: улучшение сцепления стали с бетоном, в частности горизон­тальных армирующих стержней в балках [13];

Улучшение качества жидких растворов путем предупрежде­ния изменений объема, вызван­ных усадкой и осадкой в фун­даментах оборудования и кре­пеже;

Заполнение водоуплотняю - щих швов и заделка раствором трещин при ремонтных работах;

Заполнение пустот при пред­варительной укладке бетона с последующим заполнением бе­тоном и для предварительного напряжения труб;

Улучшение однородности бе­тона;

Производство ячеистого и са­монапряженного бетона;

Тампонирование нефтяных скважин при пористых камен­ных породах;

Устройство водонепроницае­мых покрытий на цементной ос­нове.

9.2.2.7. Стандарты по тех­нической эксплуатации. Оценка, отбор и качество контроля до­бавок производятся путем оцен­ки эксплуатационных свойств бетона, раствора или жидкого раствора, содержащих эти до­бавки. Стандарты Австралии AS-2073-79 (Методы испытания расширяющих добавок для бе­тона и раствора) и AS 2072-79 (Методы отбора проб расши­ряющих добавок для бетона и раствора) представляют собой только текущие стандарты, в которых приведены методы ис­пытаний и свойства для оценки эксплуатационных особеннос­тей этих добавок. Американское общество по испытаниям мате­риалов в настоящее время рабо­тает над проектом стандарта (ASTM для сухого упакован­ного гидравлического раство­ра. № 10 К, май 1982 г.), в котором должны быть отраже­ны испытания всех видов рас­ширяющихся добавок, исполь­зуемых при приготовлении ком­позиций жидких растворов.

В настоящее время отбор образцов и испытание добавок регламентируются стандарта­ми, строительными инструкция­ми и различными публикация­ми. Стандарты, относящиеся к химическим добавкам, рассмат­риваются в других разделах.

Стандарты Корпуса инженеров:

CRDC-621 -76 — Специфи­кация Корпуса инженеров для безусадочного раствора;

613-74 — Метод испытания расширения жидких раствор­ных смесей;

79-58 — Метод испытания пластичности жидких раствор­ных смесей (испытание плас­тичности осадкой конуса);

81-74 — Метод испытания расширения жидких раствор­ных смесей.

Стандарт CSA — А.23.2. 1В. Вязкость, водоотделение при расширении и прочность на сжатие пластичных раст­воров.

Австралийские стан­дарты:

AS-2073-79 — Методы испы­тания расширяющихся добавок для бетона, раствора и жидкого раствора;

AS-2072-79 — Методы отбо­ра проб расширяющихся доба­вок для бетона, раствора и жид­кого раствора;

SAA-MP-20-3 — Информа­ция по расширяющимся добав­кам, используемым в бетоне, растворе и жидком растворе.

Британские стан­дарты:

CP-110, ч. 1, 1972 —Кон­структивное использование бе­тона, проектирование, материа­лы и качество работы. Заливка жидким раствором узлов креп­ления предварительно напря­женной пучковой арматуры (п. 6.12);

BS-5400, ч. 7 и 8, 1978— Заливка жидким раствором уз­лов крепления предварительно напряженной пучковой армату­ры (п. 3.12,- в обеих частях).

Американский неф­тяной институт:

API Specification - 10А — Спецификация для тампонаж - ных цементов и цементных до­бавок; 19-е изд., 1977, Дал­лас, США.

Другие испытания.

1. Испытание на отрыв плас­тинки — нестандартное испы­тание, используемое для опре­деления характеристик сцеп­ления раствора к пластинке основания.

2. Моделирующее испытание с пластинкой основания, ис­пользуемое для оценки характе­ристики раствора при воспроиз­ведении условий эксплуатации. Этим методом можно получить примерные значения сцепления и определить площадь контакта между раствором и пластинкой основания в процентах.

Методы испытаний, относя­щихся к компенсации усад­ки растворов, подробно рас­смотрены в работе [15].

Рекомендации по техничес­кой эксплуатации содержатся также в различных публика­циях:

К. Дж. Бадж. Строительная инструкция для изготовления и заливки каналов в изделиях из предварительно напряжен­ного бетона.— Ассоциация по цементу и бетону. Лондон, Ве­ликобритания, 1977;

Заливка (цементация) вы­соких вертикальных труб из предварительно напряженного бетона.— Рабочая группа по жидким растворам Общества по бетону.— Ассоциация по цементу и бетону. Информ. лист 37. Лондон, Великобрита­ния, 1968.

Единой методики измерения объемных изменений не сущест­вует. Это связано главным об­разом с различными мнениями о желаемом объеме расшире­ния, химическом механизме, за счет которого должно произой­ти изменение объема, и соответ­ственно с выбором методов испытаний. Поэтому при ин­терпретации результатов вы­бранного метода нужно учиты­вать тип добавки и характе­ристики расширения.

Еще не разработаны уни­фицированные эксплуатацион­ные ограничения и стандарт­ные методы испытаний. Поэто­му выбор метода испытания предоставляется тому, кто ис­пользует или производит добав­ки. Для обычного контроля ка­чества используются методы

CRDC-613 и ASTM-827 (перво­начальные изменения объема после проведения первичных испытаний, проводимых в со­ответствии с CRDC-621) [10].

Что касается тампонажных цементирующих составов, то подрядчики обычно используют свои собственные разработки.

9.2.3. Добавки, содержащие гранулированные железные опилки. В противоположность уже рассмотренным газовыде - ляющим добавкам железосо­держащие добавки вызывают расширение только после того, как растворы затвердели. Два основных типа добавок — спо­собствующие коррозии или предотвращающие ее — обыч­но используются в составах, работающих в условиях как органиченного, так и неогра­ниченного расширения.

9.2.3.1. Химический состав. Однокомпонентные добавки содержат фракционированные гранулированные железные опилки в качестве единствен­ного активного компонента. Частицы железа, содержащие­ся в многокомпонентных до­бавках, могут быть обрабо­таны щелочами или другими противокоррозионными агента­ми или применяться без обра­ботки. Добавки, содержащие частицы железа с пассивиро­ванным поверхностным слоем, смешиваются с другими добав­ками в соответствии с задан­ным назначением продукта. Частицы железа, не обрабаты­ваемые антикоррозионными до­бавками, обычно смешиваются с FeCl3, СаС12 или NH4C1 и с водопонижающим агентом.

На рынке имеются продук­ты, обычно предварительно пе­ремешанные на заводе с песком, цементом и добавкой, которые маркируются как структурные растворы или быстросхваты - вающиеся ремонтные материа­лы.

Другие составы, используе­мые для приготовления жидких растворов и смесей для полов:

А) необработанные частицы же­леза плюс антикоррозионные (в том числе нитрит натрия, бен - зоат натрия, нитрит кальция) и водопонижающие добавки; эти добавки обычно смешивают с портландцементом и песком;

Б) необработанные или обра­ботанные частицы железа с ан­тикоррозионными добавками или без них, смешанные с без­усадочными цементами.

9.2.3.2. Рецептура. Изго­товление и использо­вание. Основной компонент рассматриваемой добавки (гра­нулированные железные опил­ки) обычно получают из отхо­дов, содержащих металл. Эти отходы сначала обрабатывают путем обжига в печи для удале­ния остатков жиров, углерода и органических материалов, охлаждают и' подвергают маг­нитной сепарации, в результате которой потенциально реак - ционноспособные частицы ме­талла, такие, как Zn и А1, отделяются от железа. В зави­симости от назначения частицы металла обрабатывают химика­лиями для получения слоя пас­сивированной поверхности или просеивают и фракционируют. Ниже приведены типичные раз­меры частиц железных опи­лок, используемых в таких добавках (по данным Штерн - сан Лтд.):

Размеры сита, меш. Остаток, %

TOC o "1-3" h z № 8 . .............. О

№16..................... 6—10

№ 30 .............................. 48—54

№ 50 .............................. 32—37

№100.......................... 1,4—3,2

№ 200 ............................ 0,1—0,4

Как необработанные, так и обработанные частицы железа могут быть смешаны с анти­коррозионными добавками, водопонизителями и опреде­ленными количествами цемента и песка, используемыми в соста­вах для полов и жидких раст­воров. Такие продукты, как быс - тросхватывающиеся ремонтные составы и растворы, которые расширяются при окислении частиц железа, содержат толь­ко необработанные частицы. Обработка обычно осуществ­ляется путем введения таких химических веществ, как СаСЬ и FeCU. Быстросхватывающие - ся ремонтные составы содержат большие количества СаСЬ и це­мента типа III.

Введение добавки. Добавка, используемая в соста­ве для полов, состоит из час­тиц железа и антикоррозион­ных добавок (например, NaN02 и бензоата натрия). Обычно ее смешивают с портландцемен­том (1 ч. цемента на 2,5—3 ч. частиц железа) и вводят в бетон методом напыления. В этом ме­тоде частицы железа, содер­жащие цемент и другие добав­ки, равномерно распределяются по свежеуложенной выровнен­ной поверхности горизонталь-
ного блока и затем втирают­ся в поверхность бетона для образования монолитной струк­туры.

Другие многокомпонентные добавки, включающие портлан - дские или сульфоалюминатные цементы, перемешиваются на заводе с песком и используют­ся для растворов. Поэтому для приготовления раствора на мес­те нужно просто добавить необ­ходимое количество воды на ме­шок смеси для получения тре­буемой пластичности.

Условия и продол­жительность хране­ния. Частицы железа, обра­ботанные и просеянные, упако­вывают по 25 кг в многослой­ные мешки с прокладкой из пленки. Эти добавки сущест­вуют в виде следующих основ­ных форм:

Частицы железа с незначи­тельным содержанием увлаж­няющих или водопонижающих добавок;

Смесь частиц железа, порт­ландцемента, водопонижающих и антикоррозионных добавок в качестве составов для полов;

Смесь частиц железа, порт­ландцемента, химических акти - визаторов-окислителей и водо­понижающих добавок для при­менения в растворах в условиях ограниченного расширения;

Смесь обработанных частиц железа, безусадочного цемен­та или портландцемента, содер­жащего расширяющие, водопо­нижающие и водоудерживаю - щие добавки для применения в растворах при условии неог­раниченного расширения.

Продукты на основе цемен­та, в частности содержащие хлорид кальция, должны хра­ниться в темном, сухом месте. Срок хранения таких материа­лов (например, окислителей) обычно не превышает 9 мес. Ка­чество материалов после хра­нения нужно проверять. Мате­риалы, не подвергающиеся кор­розии, можно использовать до 12 мес, хотя расширяющиеся цементы теряют способность к расширению из-за воздухообме­на.

Особенности приме­нения. При использовании растворных и ремонтных сме­сей, которые расширяются под действием коррозии, возникают некоторые проблемы, в част­ности появление пятен на повер­хности, расширение матрицы и возможная коррозия с разруше­нием металлических закладных частей в бетоне.

Излишняя продолжитель­ность циклов увлажнения и вы­сыхания, в том числе в при­сутствии окисляющих веществ, вызывает появление пятен на поверхности и приводит к рас­ширению в более позднем воз­расте [16].

Хлориды кальция и натрия ускоряют коррозию. Предотв­ратить продолжающееся рас­ширение и связанное с ним появление пятен и обесцвечи­вание можно путем гермети­зации открытой поверхности бе­тона или раствора с использо­ванием герметика на основе смол или путем покрытия це- ментно-песчаным раствором с последующей герметизацией смолами (последний способ предпочтителен).

В связи с возможностью коррозии и продолжения рас­ширения, использование этих материалов должно быть огра­ничено такими местами, кото­рые не подвержены влиянию влаги.

При использовании добавок с гранулами железа для раст­ворных составов и смесей для полов нужно учитывать усло­вия укладки и эксплуатации на месте. Следует также при­нять во внимание ограничения при применении окисляющих материалов. Перед укладкой должны быть учтены факторы водоотделения, прочности при сжатии и долговременной ста­бильности объема в конкретных условиях эксплуатации.

9.2.3.3. Пластичные свой­ства бетона и раствора. М е - х а н и з м. Материалы, состоя­щие из комбинации частиц же­леза и химических веществ, спо­собствующих коррозии, обеспе­чивают окисление этих частиц в течение первых дней твер­дения, давая достаточный объем расширения, чтобы прео­долеть небольшую усадку, кото­рая происходит перед началом схватывания.

В составах, содержащих обработанные частицы железа или антикоррозионные добавки, источником расширения явля­ется цемент или расширяющая добавка. Частицы металла дей­ствуют как армирующие эле­менты в расширяющейся мат­рице, в связи с чем увели­чивается стойкость к ударным нагрузкам. В отличие от окис­лительных эти добавки не пока­зывают значительного расшире­ния через 48 ч, поэтому они не подвержены расширению с разрушением при воздействии высокой влажности.

При использовании хорошо скрепленной ячеистой струк­туры, образующейся после окончания отделки, получают плотный, нетеплопроводный, высокоэластичный и износо­стойкий готовый пол.

Удобообрабатывае - мость. Пластичность смеси обычно зависит от количества водопонижающей и ускоряю­щей добавки, присутствующей в продукте. Составы раствора, которые содержат суперпласти­фикаторы, укладывают обычно в виде жидкой или текучей консистенции. В большинстве случаев при использовании су­перпластификаторов наблюда­ется очень быстра»осадка кону­са, поэтому требуется постоян­ное перемешивание смеси перед укладкой.

Быстро схватывающиеся составы для ремонта, содержа­щие большие количества СаСЬ, смешивают до пластичной кон­систенции, которая твердеет в течение 5 мин. Водопотреб­ность такого материала доволь­но большая.

Водоотделение и осадка. Большинство раст­воров со слабым сцеплением, вызываемым высоким водосо- держанием и низким содержа­нием цемента, показывают от­четливое водоотделение и осад­ку с образованием плотного твердого слоя и отстоя воды.

Характеристики схватывания. Применение
композиций, содержащих уско­рители, способствует ускоре­нию схватывания, которое мо­жет протекать за несколько ми­нут для быстросхватывающих - ся составов. Составы, содержа­щие суперпластификаторы и водоудерживающие добавки, часто имеют сроки схватыва­ния на 1—2 ч больше по срав­нению с составами, содержащи­ми другие добавки. Добавление частиц металла, как правило, не влияет на сроки схваты­вания.

9.2.3.4. Затвердевшие бетон и раствор. Усадка и из­менение объема. Объем­ная стабильность бетона и раст­вора, содержащих частицы же­леза и коррозионный агент (СаСЬ), зависит от положения места эксплуатации относитель­но уровня земли и наличия влаги. Если эти факторы ничем не ограничены, то в бетоне и растворе, подвергающихся увлажнению и высыханию и со­держащих значительное коли­чество окислителей, развивает­ся саморазрушающее расшире­ние. При использовании обра­ботанных частиц, смешанных с безусадочным цементом или портландцементом, содержа­щим расширяющий агент, рас­ширение матрицы компенсирует уменьшение объема, вызывае­мое усадкой при высыхании.

Прочность. Если рас­ширение бетона и раствора ограничено, то при использо­вании материалов, содержа­щих хлорид кальция, обычно достигается высокая прочность при сжатии. Если расширение продолжается, то через не­сколько дней прочность умень­шается. Прочность, достигае­мая смесью, содержащей обра­ботанные частицы железа или антикоррозионные добавки, обычно меньше, чем при приме­нении окислителей. В смесях с высокой пластичностью наб­людается нарушение гомоген­ности бетона или раствора из-за усадки, что отражается на их прочности.

В растворах и бетонах, со­держащих частицы металла, повышается сопротивление ударным нагрузкам. Это отно­сится к случаям, когда обеспе­чивается устойчивое вертикаль­ное ограничение и не происхо­дит дальнейшего окисления и расширения. При продолжаю­щемся окислении после твер­дения значительно уменьшается способность этого состава вы­держивать ударные нагрузки из-за трещин, которые обра­зуются в матрице в результа­те развивающихся сил расши­рения.

Плотность. Увеличение плотности бетона и раствора пропорционально количеству частиц железа, присутствую­щих в смеси. Материалы, ис­пользуемые в составах для полов, несут большие нагрузки, в связи с чем значительно возрастает плотность поверх­ностного слоя бетонного покры­тия.

Долговечность. До­бавки, содержащие СаСЬ, из-за своей чувствительности к влаж­ным условиям ухудшают харак­теристики долговечности. Для безусадочных смесей с соста­вами, содержащими обработан­ные частицы железа, эти харак­теристики близки к показате­лям обычного бетона.

Состав и количество частиц железа, находящихся в смеси, определяют прочность при сжа­тии бетона и раствора. Сме­си, содержащие СаС12 и NaCl, отличаются более быстрым на­бором ранней прочности, чем смеси, содержащие FeCh. На объем расширения влияет так­же присутствие окислителя, большое количество которого часто приводит к разрушению. Строгое вертикальное ограни­чение требует реализации всех возможностей добавок. При не­ограниченном расширении в бе­тонах и растворах возможная прочность при сжатии пере­распределяется. Условия неог­раниченного расширения влия­ют на прочность при сжатии и растяжении, приводя к воз­можному трещинообразованию при усадке в результате высы­хания, однако они не оказы­вают влияния на смеси с не - окисляющимся железом и рас­ширяющимся цементом.

Условия эксплуатации оп­ределяют длительность сохран­ности материала. Высокая влажность и попеременное ув­лажнение значительно снижают срок действия добавки.

9.2.3.5. Области применения. Добавки, содержащие гранули­рованные частицы железа, как антикоррозионные, так и спо­собствующие окислению (ката­лизирующие), используются для заливки раствором фун­даментных плит под обору­дование и опор колонн, а так­же для изготовления полов, подвергающихся тяжелым на­грузкам: на складах, на заво­дах по производству вооруже­ний и автомобилей и в авиа­ционных ангарах [17].

Каталитические материалы нельзя применять в следующих случаях:

Если отсутствует строгое ограничение, как, например, для не закрепленных болтами пластин;

В предварительно напря­женном бетоне;

В оборудовании, подвергаю­щемся воздействию блуждаю­щего электрического тока;

Для заякоренных кабелей, предназначенных для нагрузок более 560 МПа [17, 18];

При контакте с алюминиевы­ми закладными частями в бе­тоне;

Под оборудованием, которое испытывает значительные теп­ловые изменения.

9.2.3.6. Стандарты и техни­ческие нормы. Все стандарты, относящиеся к газообразую­щим добавкам, за исключением методов измерения ранних объемных изменений (ASTM С-827) и эксплуатации в пред­варительно напряженных изде­лиях, могут быть использованы для отбора проб и испытаний как вызывающих коррозию, так и антикоррозионных материа­лов.

Для газообразующих доба­вок не разработаны общеприз­нанные критерии эксплуатации, по которым можно установить требования к качеству и одно­родности продукта. Материал, выбираемый в качестве жидко­го раствора, определяется экс­плуатационными требованиями потребителя. В табл. 9.3 приве­дены методы контроля качест­ва как корродирующих, так и антикоррозионных материалов [18].

Истирание Табера применяются достаточно широко, однако они не считаются достаточно на­дежными для применения их на практике.

9.2.3.7. Производители. С развитием производства безуса­дочного цемента, а также рас-

Испытание методом подъема пластинки может быть выполне­но на месте для определения расширения смесей на строи­тельной площадке.

Материалы, используемые в составах отвердителя, не имеют достаточного числа унифици­рованных испытаний для опре­деления сопротивления истира­нию. Хотя метод ASTM С-131 (испытание на истирание, Лос - Анджелес) и испытание на ширяющих и антикоррозионных добавок использование доба­вок с окислением железа сокра­тилось. Поскольку безусадоч­ный цемент обеспечивает пред­сказуемое расширение при раз­личных условиях, на него не действуют ограничения, указан­ные ранее, и он имеет более обширные области применения. Поэтому только немногие про­изводители выпускают жидкие растворы окислительного типа.

В табл. 9.4 приведены фир­мы, производящие составы для полов и жидких растворов с антикоррозионными добавками.

9.2.4. Сульфоалюминат кальция и расширяющие до­бавки на основе извести. В бетоне и растворе могут разви­ваться трещины при усадке 0,04 % или больше. Поскольку сжатие из-за усадки в процес­се твердения бетона может до­стигать 0,07—0,08 % [19], для предотвращения появления тре­щин в ненапряженном бетоне требуется тщательный контроль материалов бетона, укладки и выдержки. При использовании расширяющих добавок можно добиться снижения потенциаль­ного трещинообразования в бе­тоне.

9.2.4.1. Типы добавок. В последние 20 лет применяют два типа добавок на основе сульфоалюмината каль­

Ция (CSA) и оксида каль­ция (извести), которые предот­вращают изменение объема из-за усадки. Компенсация усадки достигается при мень­шем количестве добавки, в то время как химическое предва­рительное напряжение бетона получают при более высоких до­зах.

Одна из добавок на основе сульфоалюмината кальция но­сит название Денка CSA. Ис­пользуются также и другие со­ставные добавки этого типа [20], а также смеси CaS04 и СаО.

Добавки на основе извести были разработаны в начале 70-х годов. К ним относится продукт, называемый «Онода

Экспан»; он имеется на рынке. Добавки указанного типа ис­пользуются в больших коли­чествах в Японии, Австралии и некоторых странах Юго - Восточной Азии. В Канаде про­водятся работы по применению этих материалов для закрытия скважин [21].

Хотя реакции, которые вы­зывают расширяющие усилия в смесях на основе CSA и из­вести, различны, их влияние на свойства бетонов и растворов и их применение одинаковы[28].

9.2.4.2. Химический состав. Наиболее широко используемая однокомпонентная добавка — сульфоалюминат кальция — состоит из 30% C4A3S, 50% CaS04 и 20% СаО. Ниже приведены химические и физи­ческие свойства обожженной добавки Денка CSA [19]:

TOC o "1-3" h z Si02.................................. 1,4%

А120з............................... 13,1 »

Fe203 ..................................... 0,6 »

СаО.................................. 47,8 »

MgO................................. 0,5 »

S03 ....................................... 32,2 »

Потери при прокалива­нии... 0,9 %

Нерастворимый остаток 1,4 »

Свободная известь. . 19,4 »

Плотность.......................... 2,93

Удельная поверхность. 2280 см2/г

Ее частицы грубее, чем час­тицы портландцемента. Боль­ший размер частиц обеспечи­вает увеличение расширения, поскольку период гидратации удлиняется.

' Это утверждение не вполне спра­ведливо. Так, расширяющиеся добавки на основе извести более эффективны и вытеснили составы на основе CSA. (Примеч. науч. ред.).

Другие материалы типа CSA включают смеси C4ASH12 и 2CS (моносульфат и гипс) [20] и смеси из цемента типа I, высокоалюминатного цемента, CaS04-2H20, Са(ОН)2 и СаО.

При использовании в таких специальных областях строи­тельства, как подливка конст­рукций раствором и тампони­рование нефтяных скважин, безводный сульфоалюминат кальция комбинируют с двумя или более добавками, указан­ными ниже: диспергирующими, агентами, выделяющими газ, например, порошком AI или час­тицами обезвоженного кокса, порошкообразным акриловым латексом для увеличения сил сцепления, а также с вещест-. вами, увеличивающими или уменьшающими плотность раст­вора — баритами или бентони­тами.

Продукты, содержащие из­весть гранулометрического со­става в пределех 80—96%, используются как одно - компонентные добавки на основе извести. Ниже приведе­ны типичные химические и фи­зические свойства коммерчес­ких материалов [22]:

Оксиды, %: Si02 . . АЬОз Fe203 СаО. MgO. S03 . Сумма Плотность Тонкость помола по Блейну....

В США запатентован мате­риал, полученный путем обра­зования гранул из частиц из­вести с защитной пленкой из СаСОз или Са(ОН)2 [23].

9.2.4.3. Производство, ис­пользование и хранение. Без­водный сульфоалюминат каль­ция получают при обжиге из­вести, гипса и боксита. Актив­ный _ расширяющий агент C4A3S образуется или в резуль­тате реакции, протекающей в твердой фазе между CaS04 и смесью соединений, содержа­щих СаО и AI2O3, или в резуль­тате взаимодействия газообраз­ного S03 со смесью указанных соединений. Чтобы сохранить возможность расширения в те­чение длительного периода, необходимо, чтобы рост крис­таллов CSA проходил в мед­ленном темпе [24]'.

Материал, имеющийся на рынке («Онода Экспан»), про­изводится из тех же сырьевых материалов, которые исполь­зуются для выпуска портланд­цемента. Он обжигается во вращающейся печи и размалы­вается до требуемой тонкости помола частиц в шаровой маль - нице. Конечный продукт (бе­лесый серый порошок) вклю­чает 35% специально обрабо­танного оксида кальция [22].

Продукт в капсулах также получают при обжиге [23]. Он содержит 90—96% СаО и после помола подвергается дей­ствию С02, Н2О или Са(ОН)г. Размер частиц этого продукта обычно меньше 250 мкм.

Дозировка добавки сульфо­алюмината кальция составляет от 8 до 11% массы цемента для компенсации усадки и 12— 17% для использования при предварительном напряжении. Для добавок на основе из­вести рекомендуется дозировка от 6 до 10% в зависимости от требуемого уровня расшире­ния. Для компенсации усадки и предотвращения трещин до­статочна доза 6—7%, в то вре­мя как для предварительно на­пряженных изделий необходима дозировка более 8%.

Добавки CSA или на основе извести применяют для замены цемента в смеси или в ка­честве добавки к цементу. В последнем случае состав смеси корректируется соответствую­щим уменьшением количества песка.

Дозу вводимой в смесь по­рошкообразной добавки рас­считывают или исходя из задан­ного количества мешков, или на основе взвешенного коли­чества материала по отношению к массе цемента в смеси. В обоих случаях добавка дози­руется по массе, а не по объему. При производстве как сборного, так и товарного бетона до­бавку вводят в миксер.

Эксплуатационные качества добавок зависят от степени перемешивания. При исполь­зовании небольших количеств добавки время перемешивания несколько удлиняется по срав­нению с приготовлением бетон­ных смесей на портландцемен­те. В жаркую погоду последо­вательность подачи компонен­тов бетона в автобетономе­шалку должна быть изменена. Бетономешалка должна про­должать работу после прибытия на объект в течение 3—5 мин перед разгрузкой. Применение этого метода способствует уменьшению осадки конуса и обеспечивает сохранение спо­собности материала к расши­рению.

При изготовлении смесей в холодную погоду горячую воду нужно добавлять к заполни­телям после цемента и доба­вок, иначе может произойти мгновенное схватывание.

Добавки на. основе извести и CSA более чувствительны к воздействию влаги и атмосфер­ного СОг, чем портландцемент. Эти материалы должны быть поэтому упакованы в водоне­проницаемые мешки и склади­роваться в сухом месте. При вскрытии мешков их нужно ис­пользовать предпочтительно в тот же день для сохранения активности. Срок хранения на складе составляет 9—12 мес.

В бетоне, содержащем ука­занные добавки, заполнители могут оказывать влияние на характеристики расширения. Нужно также учитывать влия­ние состава цемента и содер­жания воды на степень расши­рения. Для достижения мини­мального расхода цемента при заданном расширении необхо­димо провести пробные замесы. Производитель должен разра­ботать рекомендации по совмес­тимости данных добавок с дру­гими добавками, для чего необ­ходимо провести соответствую­щие эксперименты.

Дозировка добавки и ус­ловия выдержки влияют на свойства бетона. Поэтому под­бор соответствующей дозировки зависит от желательной степе­ни расширения, степени арми­рования конструкции и условий твердения.

Поскольку на начальной стадии обеспечения заданного расширения требуется повы­шенное количество воды, дол­жен быть минимизирован от­сос воды в сухое основание путем тщательного увлажнения основы или грунтовой подос­новы. Необходимо обеспечить строгий контроль при армиро­вании бетона и натяжении ар­матуры для хорошего сцепле­ния.

9.2.4.4. Характеристики пластичности бетона и раство­ра. Механизм расширения свя­зан с образованием эттрин­гита в цементе и не до конца выяснен; относительно этого механизма существует несколь­ко гипотез [25]. Производители добавки на основе CSA и другие исследователи предложили сле­дующий механизм [25, 26].

Добавки на основе CSA в результате реакции с водой образуют эттрингит и расширя­ются. Полагают, что образо­вание эттрингита не происхо­дит в жидкой фазе цемента. Соединение C4A3S и известь реагируют с образованием твер­дого раствора, состоящего из пластинчатых кристаллов гек­сагонального типа моносульфа­та и гидрата алюмината каль­ция типа С4АН13. При после­дующей реакции моносульфата с гипсом образуются иголь­чатые кристаллы эттрингита.

Очевидно, что моносульфат не содействует расширению, в то время как образование эттрин­гита обеспечивает расширение (рис. 9.3).

Расширение наряду с уве­личением прочности вызывает сжимающие усилия в бетоне, уменьшающие растягивающие напряжения, связанные с усад­кой от высыхания. Поэтому как трещинообразование, так и усадка при высыхании умень­шаются.

При химическом предвари­тельном напряжении расширя­ющее усилие вызывает напря­жение стали в степени, соот­ветствующей производимому расширению. Бетон одновре­менно подвергается равнознач­ному сжимающему усилию из - за ограничения, вызываемого армированием.

Механизм расширения для многокомпонентных добавок та­кой же, как и для однокомпо­нентних; скорость и степень расширения у них определяют­ся изменениями, производимы­ми другими компонентами в добавке. Расширение в систе­ме на основе извести происхо­дит благодаря росту кристал­лов и давлению, возникающему при гидратации частиц СаО с образованием Са(ОН)г. Ско­рость и степень расширения оп­ределяются типом частиц, раз­мером и толщиной защитного покрытия и присутствием вла­ги.

Водопотребность при рав­ной осадке конуса для бетонов, содержащих рассматриваемые добавки, обычно выше.

В бетонах, содержащих до-

I СВОБОДНАЯ ИЗВЕСТЬ

СУЛЬФОАЛЮМИНАТ КАЛЬЦИЯ Са О

3CaO-3At203-CaS04

ВОДА

Н20

ВОДА

Н2о

ГИДРОКСИД КАЛЬЦИЯ

Са(0Н)2

ТВЕРДЫЙ РАСТВОР

3CaO-Al203-CaS04-12H20-[3CaO-Al203-Ca(0HV'>2H20]

(ТОПОХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ) ИГОЛЬЧАТЫЕ КРИСТАЛЛЫ ЭТТРИНГИТА

3CaOAl203-3CaSO4-32H2O

Рис. 9.3. Схема реакции, протекающей при гидратации добавки (сульфоалюмината кальция) с образованием эттрингита (представлено фирмой «Денки Кайяки Кабушики Кайша», Токио, Япония) |19]

Бавкн обоих типов, наблюдает­ся значительное снижение во- доотделения. Высокая водопо­требность и пониженное водо­отделение связаны с высокой водопотребностью при образо­вании эттрингита [27].

В связи с тем, что бетонные смеси, содержащие добавки CSA и добавки на основе извести, обладают увеличенным сцеплением и пониженным во- доотделением, операции по от­делке в них должны прохо­дить быстрее, чем у портланд - цементных бетонов. Из-за не­достатка отделяющейся воды в условиях быстрого снижения влажности может возникать пластичная усадка.

Для получения хороших ре­зультатов нужно принимать ме­ры предосторожности, которые подробно изложены в нормах АСІ 614-59.

9.2.4.5. Затвердевший бетон и раствор. Физические свойст­ва, такие, как прочность при сжатии, ползучесть, модуль упругости и долговечность бе­тонов, содержащих добавки CSA и извести, близки к свойст­вам портландцементных бето­нов, особенно при дозировках в пределах 8—11 % CSA и 6— 7 % извести. Если дозировка добавок превышает указанные значения и если отсутствуют внутреннее армирование или внешние ограничения, то может наступить момент, когда расши­рение начнет оказывать раз­рушающее действие на бетон'.

Хотя в бетонах с добавкой извести достигается более высо­кий уровень расширения для заданной дозировки, другие характеристики расширения и усадки, вызываемые добавка­ми извести и CSA, не очень различаются.

При использовании этих добавок наибольшее расшире­ние наблюдается на очень ран­ней стадии при влажной вы­держке. При выдержке с более низкой относительной влаж­ностью, например при воздуш­ной выдержке, со временем происходит постепенное сниже­ние расширения. В зависимос­ти от достигнутой в начальный период выдержки степени рас­ширения и скорости усадки по­сле прекращения водной вы­держки может произойти зна­чительное сжатие (рис. 9.4).

Расширение увеличивается с увеличением дозировки добав­ки, причем усадка зависит от степени армирования конструк­ции. Степень расширения об­ратно пропорциональна коэф­фициенту армирования и прямо пропорциональна дозировке.

Ограниченное расширение увеличивает плотность матри­цы и дает возможность полу­чить бетон или раствор с более низким коэффициентом прони­цаемости, чем у соответствую­щего портландцементного бето­на.

9.2.4.6. Факторы, влияющие на расширение. Состав и тонкость помола. Тип и количество алюминатов, суль­фата кальция и свободной из­вести, присутствующих в смеси, влияют на степень образования

Эттрингита. Присутствие из­вести существенно как для на­чальной, так и для последую­щих стадий образования эт­трингита, так как она содержит жидкую фазу, насыщенную ионами кальция [28].

Свойства кристаллов, раз­мер частиц и разброс размеров частиц в добавке CSA опреде­ляют степень ее гидратации и продолжительность расшире­ния. Наличие защитного по­крытия Са(ОН)з или силиката кальция и его толщина влияют на скорость реакции добавок на основе извести.

Содержание цемен - т а. Более высокая степень расширения достигается в сме­сях с повышенным содержа­нием цемента, она снижается при уменьшении содержания цемента. Обычно требуется ми­нимальное содержание цемента (280 кг/м3) для получения тре­буемого расширения.

Водоцементное отно­шение. При дозировке до­бавки в пределах 9—13 % в бетонах с добавкой CSA на­блюдается значительное увели­чение конечного расширения и прочности при сжатии при В/Ц меньше 0,5 [29]. При более высокой пластичности и боль­шем В/Ц известь имеет более высокую степень расширения, чем CSA. В добавках на основе извести не возникает увеличен­ного расширения при понижен­ном В/Ц. При более высоких водоцементных отношениях или при более длительном воз­действии влаги увеличенная степень расширения, наблюдае­мая у добавок с известью, оказывает отрицательное действие на все свойства за­твердевшего бетона, если не обеспечено достаточное ограни­чение.

Отношение "Добавки к цементу. Обычно для ком­пенсации усадки используют отношение добавки к цементу, равное 9—11 (добавка): 91 — 89 (цемент). При таких соот­ношениях свойства бетона с до­бавкой CSA аналогичны свойст­вам портландцементных бето­нов с подобным же составом смесей. Однако при дозировке смеси больше 11 % удобоук - ладываемость бетона и проч­ность уменьшаются с увеличе­нием расширения и воздухо­вовлечения. При неограничен­ном расширении, превышаю­щем 0,3 %, прочность умень­шается [19].

Применение добавки на ос­нове извести при дозировке 6—7 % дает возможность вы­пускать бетон со свойствами, аналогичными свойствам порт - ландцементных бетонов. Сни­жение прочности, вызываемое более высокими дозировками (в отсутствие ограничений), более значительно в связи с большим расширением и вос­приимчивостью добавки к вла­ге. При больших дозах добавки («9%) наблюдаются вспени­вание и увеличенное воздухо­вовлечение.

Условия выдержки. Если дозировки добавок состав­ляют 8—11 % для CSA и 6—7 % для содержащих из­весть бетонов, то при водной выдержке бетона или при 100 %-ной относительной влаж­ности расширение больше, чем при выдержке в изолированных камерах с другими добавками. В условиях выдержки при 50 %-ной относительной влаж­ности (воздушная выдержка) расширение небольшое

(0,05 %), а усадка происходит через 7 сут. Прочность при сжатии материала после вод­ной выдержки немного ниже, чем у материала после воздуш­ной выдержки.

Указанные эффекты в боль­шей степени проявляются в предварительно напряженных изделиях, так как для них ис­пользуются более высокие до­зировки добавок. При отсутст­вии ограничений в условиях влажной выдержки может про­изойти расширение с разруше­нием.

Температура. При по­вышении температуры смеси и окружающей среды снижается ее пластичность и уменьшается предельное расширение. Сни­жение объема расширения про­исходит также и при низких температурах. Обычно наиболь­ший объем расширения дости1 гается при умеренных темпера­турах (18—25 °С). При более высокой температуре (более 35 °С) скорость образования эттрингита возрастает. Хотя при этом высокая степень рас­ширения наблюдается в раннем возрасте, сопротивление, вы­зываемое сопутствующим уско­рением развития прочности, приводит к снижению предель­ного значения расширения. При низкой температуре в раннем возрасте степень образования эттрингита ниже, а произво­димое расширение нейтрали­зуется повышением ползучести. Температура не оказывает за­метного влияния на реакции добавок на основе извести; ее влияние повышается в предва­рительно напряженном бетоне.

Степень ограниче­ния. В процессе расшире­ния должно быть обеспечено необходимое ограничение, что­бы получить сжимающее на­пряжение, требуемое для компенсации усадки или пред­варительного напряжения ста­ли. Это обычно обеспечивается армированием, внутренним тре­нием с заполнителями и фор­мой изделия. При заданных до­зировках добавки, содержании цемента и составе бетонной смеси расширение уменьшается при усилении армирования. Ес­ли ограничения отсутствуют, то при малой дозировке добав­ки не достигается уровень сжимающего напряжения, не­обходимого для компенсации усадки. Для самонапряжения при этом используется повы­шенное расширение.

Время перемешива­ния. Поскольку расширение зависит от однородности гра­нулометрического состава час­тиц, то для таких смесей тре­буется более длительное время перемешивания. Однако про­должительное перемешивание приводит к значительному сни­жению расширения, особенно при высоких температурах.

Совместимость с другими добавками. Ус­тановлено, что некоторые во - допонижающие добавки умень­шают способность расширения добавок типа CSA из-за их влияния на образование эттрин­гита. Степень этого воздейст­вия зависит от того, является ли указанная добавка замед­лителем или ускорителем схва­тывания. Замедлители увеличи­вают предельное значение рас­ширения при нормальной тем­пературе [29]. Однако в жар­кую погоду замедлители ком­пенсируют ускоряющее дейст­вие высокой температуры и позволяют сохранить нормаль­ный уровень расширения. Воздухововлекающие агенты не влияют на реакцию расшире­ния. Более высокое содержа­ние воздуха может иметь зна­чение при использовании до­бавок CSA и на основе извести в бетоне с воздухововлечением. Использование СаСЬ с расши­ряющими добавками не реко­мендуется из-за отрицатель­ного влияния на усадку.

Водопонижающие добавки влияют на степень расшире­ния содержащих известь до­бавок в меньшей степени, чем добавок CSA. При повышенном содержании Са(ОН)г схваты­вание может быть замедлен­ным.

Некоторые виды добавок могут вызвать нежелательные побочные явления, поэтому их совместимость с расширяющи­ми добавками следует изучить до применения на практике.

Виды заполнителей. Заполнители влияют на харак­теристики расширения и усадки бетона. В бетонах, содержа­щих CSA или известь, ис­пользование заполнителей с высоким модулем упругости приводит к большему объему расширения [29].

Срок жизни добавок. Добавки с CSA и известью более склонны к потере актив­ности из-за поглощения СОг и влаги, чем добавки, используе­мые для компенсации усадки, или портландцемент [24, 30, 31]. Соответственно использо­вание материалов со сверх­нормативными сроками хране­ния может значительно умень­шить степень расширения.

9.2.4.7. Области применения. Способность добавок CSA и на основе извести уменьшать тре - щинообразование до минимума позволяет сократить число тем­пературных швов в строитель­стве, что делает эту добавку идеально пригодной для приме­нения плит покрытий, полов, крыш и парковочных площадок. Использование этих добавок в конструкциях для хранения воды, где утечка воды являет­ся проблемой, приводит к уменьшению числа трещин.

Компенсацию усадки выгодно использовать для архитектур­ных изделий заводского изго­товления и бетона, укладывае­мого пневматическим бетоно­укладчиком.

Химическое предваритель­ное напряжение используется при производстве напорных труб, резервуаров для воды и облицовок туннелей.

Многокомпонентные добав­ки широко применяются в кон­структивных растворах и для тампонирования нефтяных скважин.

9.2.4.8. Стандарты и нормы. В настоящее время не разрабо­таны специальные стандарты ASTM или Великобритании по применению этих добавок. Стандарты, упомянутые в п. 9.2.2.7, могут быть исполь­зованы для отбора образцов и испытания этих материалов.