Добавки в бетон Справочное пособие
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК-ВОДОПОНИЗИТЕЛЕЙ НА СВЕЖУЮ БЕТОННУЮ СМЕСЬ В ПЛАСТИЧЕСКОЙ СТАДИИ
А) Rc„, мпа |
Рис. 3.31. Кинетика роста прочности при сжатии бетонов на портландцементе (а), шлакопортландцементе (б) и пуццолановом цементе (в) в присутствии 0,25 % технических добавок. Удобоукладываемость бетонной смеси и расход цемента постоянны; осадка конуса 100 мм; расход всех видов цемента 150 кг/м 1133] I — без добавки; 2 — с добавкой на основе ги- дроксикарбоновой кислоты; 3 — с добавкой смеси лигносульфоната и гидроксикарбоновой кислоты |
Добавки-водопонизители существенно влияют на реологические свойства свежей бетонной смеси: удобоукладываемость, прокачиваемость и другие характеристики пластической стадии (затирка, усадка и время загустевания). Эти из-
Менения в основном вызваны химическим и физическим воздействием молекул органических добавок на поверхность гидратирующегося цемента.
3.4.1. Механизм действия. После смешения цемента с водой твердые частицы имеют тенденцию слипаться с образованием кластеров. Хотя одновременно между ними действуют и силы электростатического отталкивания, в результате происходит флокуля - ция частиц. В присутствии добавок-водопонизителей кластеры распадаются на отдельные частицы, т. е. происходит их диспергация. Снижение сил притяжения между частицами приводит также к их большей подвижности.
Высказано много гипотез для объяснения механизма разжижающего действия водопонизителей, вводимых в бетонную смесь при постоянном водо - цементном отношении. Основные из них: снижение добавками межфазовой энергии; их полимолекулярная адсорбция; повышение электрокинетического потенциала; создание защитных слоев из молекул воды; освобождение воды, защемленной между частицами цемента; снижение скорости гидратации цемента; изменение морфологии продуктов гидратации цемента.
Все представления, за исключением перечисленных последних двух, базируются на диспергирующем действии добавок на частицы цемента.
Согласно [53], флокуля - ция — термодинамически выгодный процесс, поскольку при этом уменьшается величина избыточной межфазовой энергии. Диспергирование обусловлено адсорбцией молекул добавок, обладающих расклинивающим действием.
Наличие нескольких десятков слоев адсорбированных молекул изменяет энергию взаимодействия между частицами цемента [55]. Согласно [131], такая полимолекулярная адсорбция играет роль стериче- ского стабилизатора частиц. Это важно для понимания диспергирующего действия добавок, например за счет изменения дзета-потенциала.
Электрокинетические измерения цементоводных суспензий без добавок показали, что частицы цемента не перемещаются в электрическом поле, тогда как в растворе лигносульфоната они перемещаются в направлении анода, что свидетельствует об их отрицательном заряде [4]. Это объясняется адсорбцией на твердой фазе аниона добавки и взаимным отталкиванием одноименно заряженных частиц, что и приводит к диспергированию. Аналогичные результаты получены в работе [13] при использовании солей гидроксикарбоно - вых кислот.
Отрицательный заряд поверхности цемента вызывает соответствующую ориентацию диполей молекул воды, что приводит к образованию гид - ратных оболочек вокруг частиц цемента и предотвращает их коалесценцию [53].
Согласно [132], часть той воды затворения, которая в отсутствие добавки была защемлена между кластерами из частиц цемента, в результате диспергирующего действия добавок высвобождается и обеспечивает повышенную пластичность свежей бетонной смеси.
Согласно [30], в присутствии лигносульфоната уменьшается количество образующегося эттрингита, что само по себе приводит к снижению во - допотребности. Сходная гипотеза лежит в основе объяснения причин пластифицирующего действия комплексной добавки, состоящей из соды и лигносульфоната. Согласно этой гипотезе, эффект пластификации связан с тем, что указанная комплексная добавка уменьшает долю образующихся гексагональных гидроалюминатов кальция [29, 32, 34].
Как видно из рис. 3.14 и 3.15, в присутствии лигносульфоната наблюдается уменьшение блокирующего действия игольчатых частиц эттрингита, фиксирующих твердую фазу цементного теста, что может быть обусловлено снижением размера кристалликов эттрингита. В результате улучшаются реологические показатели растворной и бетонной смесей [30]. Подобная же гипотеза выдвинута для объяснения пластифицирующего эффекта содо- лигносульфонатной добавки, вводимой в клинкерные пасты [113].
3.4.2. Водопоиижающее действие. При введении добавок - водопонизителей наблюдается снижение водопотребности при заданной постоянной подвижности бетонной смеси. Этот эффект реализуется либо в повышении прочности, либо в уменьшении усадки или расхода цемента (см. рис. 3.1). В результате можно снизить количество воды затворения на 5— 15 % в зависимости от таких факторов, как вид, дозировка и качество добавки; технология ее введения; водоцемент - ное отношение и требуемый уровень удобообрабатываемо - сти; вид и качество цемента; вид и содержание в цементе шлаков и зол; объем воздушной фазы.
Из данных табл. 3.14 следует, что глюконат натрия — более эффективная водопони - жающая добавка, чем глюкоза и лигносульфонат [133]. Действие различных по качеству технических добавок-водопонизителей зависит от соотношения между входящими в них компонентами и их концентрации [130]. Чем больше доза добавки, тем сильнее ее водопоиижающее действие (при со-
Таблица 3.14. ВЛИЯНИЕ содержания добавок (0,1 %) на их водопоиижающее действие [133]. расход цемента — 300 кг/м3
|
Держании не более 0,1 % массы цемента).
Влияние способов введения добавок на их водопонижаю - щее действие обсуждено в разд. 3.2.2 (табл. 3.5), а механизм происходящих процессов — в разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12.
В работе [134] отмечено, что при введении добавок во - допонижение выше при осадке конуса смеси 75 мм, чем при 200 мм. Рис. 3.32 свидетельствует о том, что при осадке конуса 50 мм водопонижение составляет 6 %, а при осадке конуса 150 мм—11 % [133].
С другой стороны, бетонная смесь (расход цемента типа I 300 кг на 1 м3) в присутствии водопонижающей добавки требует для увеличения осадки конуса с 75 до 200 мм повышения содержания воды со 179 до 190 кг на 1 м3, тогда как для такого же изменения осадки конуса бетонной смеси без добавки необходимо повысить содержание воды со 189 до 210 кг на 1 м3 [134]. Это означает, что введение до- бавок-водопонизителей обеспечивает одинаковое увеличение осадки бетонной смеси при меньшем, чем в отсутствие добавок, изменении содержания воды и водоцементного отношения.
Добавки - водопонизители наиболее эффективны в бетонных смесях из низкощелочных № низкоалюминатных цементов [98]. Роль качества цементов одного типа проявляется в том, что одинаковые добавки вызывают различное снижение водопотребности бетонной смеси из таких цементов [130].
Согласно работе [130], при прочих равных условиях добавки разных типов не могут быть одинаково эффективными водопонизителями. Так, водопонизители, обладающие одновременно воздухововлекающим действием, как правило, более существенно снижают водопо- требность в тощих бетонных смесях, чем в жирных. Они же вовлекают больше воздуха в бетонные смеси с пониженным расходом цемента [130].
Существенное влияние на водопонижающую способность добавок оказывает различие в форме (округлая, неокруглая) и природе заполнителей [30].
Водопонизители способны эффективно понизить водопот - ребность и бетонных смесей, содержащих золу-унос: как вводимую в качестве добавки к вяжущему, так и заменяющую часть цемента [130]. При этом для получения одинаковой с эталонным цементом без золы водопотребности необходимо вводить большие количества добавки в связи с повышенной сорбционной способностью части золы.
Воздухововлекающие добавки снижают и водопотреб - ность смеси, однако дополнительный эффект наблюдается при их введении одновременно с добавками-водопонизителями. Этот результат обеспечивается в том случае, если возрастает и воздухововлечение в бетонную смесь [130].
3.4.3. Удобообрабатывае - мость бетонной смеси улучша
ется, если водопонижающие добавки вводят в бетонную смесь с заданным количеством воды затворения. Этот показатель обычно измеряют путем определения осадки конуса, зависящей от факторов, отмеченных в разд. 3.4.2. Например, при заданном количестве воды затворения влияние водопонизителей на осадку конуса будет выше при большей исходной осадке конуса (рис. 3.32). В табл. 3.15 приведены
Таблица ЗЛ 5. ВЛ ИЯН ИЕ ДОБАВОК - ВОДОПОНИЗИТЕЛЕЙ (0,1 % МАССЫ ЦЕМЕНТА) НА ОСАДКУ КОНУСА БЕТОННОЙ СМЕСИ [133]. РАСХОД ЦЕМЕНТА 300 кг/м3
|
Данные о действии водопонизителей на осадку конуса в бетонных смесях при заданном постоянном количестве воды затворения. Как видно, эффективность действия добавок на удобообрабатываемость смеси снижается в той же последовательности: глюконат> глюко - за> лигносульфонат, что и при оценке водопонижающей способности этих добавок (см. табл. 3.14).
При неизменной осадке конуса бетонные смеси с добав - кой - водопонизителем, как правило, характеризуются лучшей удобообрабатываемостью. Так, согласно [135], бетонная смесь без водопонизителей при осадке конуса 89 мм имеет на 12,5 % меньшую величину пе - нетрации (по Келли), чем смесь с добавкой.
Ясж, мпа |
Рнс. 3.32. Влияние добавки 0,3 % лигносульфоната иа снижение водоце - меитиого отношения, прочность бетона при сжатии и осадку конуса (ОК) в возрасте 1 и 28 сут (содержание цемента 300 кг/м3) [133] / — без добавки; 2 — с добавкой |
В бетонных смесях с лигно - сульфонатом и без добавки при одинаковой исходной осадке конуса роль добавки после отделения крупного заполнителя выражается в повышенной подвижности растворной части [136]. Кроме того, при отсутствии добавки бетонная смесь характеризуется худ
шей удобообрабатываемостью [137].
3.4.4. Потеря подвижности бетонной смеси во времени.
Поскольку большинство водо - понижающих добавок выступают одновременно как замедлители схватывания и твердения цемента, они удлиняют время, в течение которого возможно осуществлять вибрирование бетонной смеси. Поэтому можно было ожидать от подобных добавок существенного уменьшения потери осадки конуса во времени, что часто подтверждается экспериментально. Однако многочисленные лабораторные и натурные испытания показали, что нередко кинетика изменения подвижности бетонной смеси в присутствии добавок водопонизителей-замедлителей не изменяется [22, 46, 138]. Существует несколько причин подобных расхождений в результатах опытов. Необходимо прежде всего отличать случаи, когда действие добавок в смеси сравнивают при постоянном водо - цементном отношении, от случаев сопоставления между собой бетонных смесей с добавками при одинаковой величине осадки конуса.
В работе [105] проанализирован первый случай. Дозировка лигносульфоната составляла 0,15%, глюконата натрия — 0,05—0,1 % массы цемента. Хотя в присутствии этих добавок была достигнута большая степень потери подвижности бетонной смеси, само значение осадки конуса даже через 2 ч после затворения была существенно выше, чем это значение для контрольной смеси (без добавок). В лабораторных опытах для второго случая [117] обнаружено, что водопонизители увеличивают степень потери подвижности смеси, но в значительно меньшей мере, чем суперпластификаторы на основе меламина. Однако при использовании высокощелочного цемента типа II введение добавок, полученных из попутных продуктов переработки сахара, приводит к существенно большей степени снижения подвижности смеси, чем при введении суперпластификатора, тс)гда как добавки на основе лигносульфоната или полигид - роксикарбоновой кислоты не изменяют сколько-нибудь заметно осадку конуса контрольной бетонной смеси. Этот же цемент при введении в него сульфата кальция (1 % в пересчете на SO3) иначе реагирует на содержащую сахар добавку: теперь эта последняя существенно тормозит снижение осадки конуса во времени, особенно если в цемент введена смесь из 50 % двугидрата и 50 % полугидрата сульфата кальция.
В работах [139, 140] описаны результаты опытов по введению добавок (водопонизителей и водопонизителей — замедлителей схватывания) в высокощелочной и (или) низкосульфатный цемент, а в работе [141] —в безусадочный цемент К-типа.
В последнем случае «нормальная» добавка-водопонизитель отрицательно влияет на изменение во времени осадки конуса, тогда как добавка на основе лигносульфоната, обладающая замедляюще пластифицирующим действием, уменьшает потери подвижности бетонной смеси.
При изучении эффекта от введения водопонизителей и водопонизителей-замедлителей на снижение осадки конуса смеси после двухчасового перемешивания установлено, что хотя в присутствии этих добавок наблюдается несколько большая потеря подвижности, чем в контрольных смесях, их применение позволяет значительно снизить общее количество воды после повторного перемешивания смеси. Это, по-видимому, связано с тем, что добавки делают бетонную смесь более чувствительной к содержанию воды, если ее оценивать через осадку конуса (см. рис. 3.32). Хотя, как видно, потеря осадки конуса смеси зависит от ряда факторов, влияние добавок на эту характеристику может быть связано либо с недостаточным содержанием сульфата или высоким содержанием щелочи, а это ускоряет образование эттрингита, либо, наоборот, с избыточным количеством гипса, что приводит к сохранению его концентрации в жидкой фазе (поскольку содержание гипса неэквивалентно содержанию СзА). Детали механизма этих процессов, приводящих также к ложному схватыванию или сокращению сроков до начала схватывания, обсуждены в разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12.
Независимо от химической стороны механизма действия добавок, влияющих на сильное снижение величины осадки конуса, задачу потери подвижности бетонной смеси удается решить, изменяя технологию подачи добавки: вводя ее с частью воды затворения через несколько минут после перемешивания или добавляя ее с дополнительной частью воды после потери подвижности смеси [139, 144]. Кроме того, проблему можно решить другими методами, включающими изменение количества сульфата, вводимого в цемент на заводе-изготовителе [95, 117], изменение составляющих цемента, типа и (или) дозировки добавки либо снижение температуры бетонной смеси [140]. Примеры добавок (водопонизителей-замедлителей), уменьшающих или полностью исключающих подобное явление, описаны в работах [50, 97, 135, 145] и относятся, главным образом, к случаям ложного схватывания цемента, ликвидируемого с помощью этих добавок (см. разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12).
3.4.5. Водоотделение и расслоение смеси. Добавки — водопонизители и замедлители могут влиять на степень и объем водоотделения и расслоения свежей бетонной смеси за счет действия сил тяжести. Из рис. 3.33 видно, что при постоянной осадке конуса бетонной смеси (100 мм) добавки лигносульфоната и частично глюкозы уменьшают водоотделение, а глюконат натрия, напро-
Тив, повышает его даже при снижении содержания воды затворения (см. табл. 3.14).
Рис. 3.33. Влияние 0,1 % добавок- водопонизителей иа водоотделение бетонной смеси при постоянной осадке конуса (характеристики смесей даиы в табл. 3.14) [133| / — эталон; 2 — глюкоза; 3 — глюконат натрия; 4 — лигносульфонат |
Рис. 3.34. Влияние 0,1 % добавок - водопоиизителей иа водоотделение бетонной смеси при постоянном В/Ц (характеристики смесей даиы в табл. 3.15) J133J /—4 — то же, что на рис. 3.33 |
На рис. 3.34 представлены данные о влиянии водопонизителей на водоотделение при В/Ц = 0,68 (постоянном). Как видно, глюконат натрия увеличивает водоотделение, а лиг - носульфонат не изменяет его. Результаты опытов свидетельствуют о том, что необходимо принимать во внимание и качественные показатели добавок. Так, технические водопонизители на основе лигносульфонатов [130, 146] и глюкозы [120] уменьшают водоотделение при постоянном значении осадки конуса, воздухововлекающие добавки обеспечивают еще более сильное снижение водоотделе^ ния, даже в том случае, если бетонная смесь приведена к тому же содержанию газовой фазы, что и эталон (смесь без добавки), тогда как технические добавки на основе гид - роксикарбоновых кислот и их солей, наоборот, повышают водоотделение в свежей бетонной смеси [130, 145]. Анион - активные водопонизители при постоянном В/Ц уменьшают водоотделение бетонной и растворной смесей сильнее, чем воздухововлекающие добавки [147]. Однако, по данным [13], еще недостаточно ясно, можно ли распространить этот вывод и на анионактивные гид - роксилсодержащие вещества. Согласно [148], в присутствии 0,1 % лигносульфоната кальция при постоянном В/Ц возрастает возможность расслоения цементного теста вслед-
Ствие увеличенной подвижности частиц цемента. При увеличении содержания этой добавки до 0,25 % в еще большей степени возрастает подвижность частиц цемента и, как следствие, активизируются процессы водоотделения и расслоения.
3.4.6. Воздухововлечение. Некоторые технические водопонизители или замедлители в нормальной дозировке вовлекают 2—3 % воздуха. Большего воздухововлечения (до 7—8 %) можно добиться при повышении содержания добавок сверх рекомендованного, особенно при пониженной температуре [96]. Подобный результат возможен либо при использовании, например, нерафинированного лигносульфоната, либо путем введения в основную добавку определенного количества воздухововлекающего компонента.
Вовлечение 2—3 % воздуха может происходить отчасти вследствие понижения водосо - держания или увеличения подвижности бетонной смеси, причем выигрыш из-за вовлечения воздуха обычно превосходит проигрыш в прочности бетона. Нередко часть этого воздуха к тому же удаляется при вибрировании бетонной смеси. Если же объем воздушной фазы выше требуемого, то следует применять очищенные реагенты или же добавки-пеногасите- ли. Если воздухововлечение необходимо для повышения морозостойкости бетона, а водопо - нижающая добавка не обеспечивает требуемого количества воздуха, то нужно ввести воздухововлекающую добавку. В общем случае, если водопонизители вводят с целью получения постоянной удобообраба - тываемости смеси при небольшой осадке конуса (20—50 мм), то в присутствии воздухово - влекающих добавок объем воздуха возрастает незначительно. В противоположность этому введение таких же добавок в бетонную смесь с осадкой конуса 70—150 мм приводит к существенному увеличению объема вовлеченного воздуха.
В бетонные смеси, содержащие некоторое количество воздуха за счет применения водопонизителей или замедлителей, можно вводить меньше воздухововлекающих добавок для получения заданного объема воздушной фазы. Конкретные дозировки определяют на реальных смесях и материалах [96].
3.4.7. Внешний вид. Бетонная смесь с водопонизителями при одинаковой с контрольной смесью осадке конуса отличается от нее по внешнему виду: она более монолитна, имеет меньшее водоотделение, лучшее сцепление с заполнителем [135]. В результате удается работать с более тощими бетонными смесями [134], т. е. снизить расход цемента.
3.4.8. Прокачиваемость. Для улучшения прокачиваемости тощих бетонных смесей рекомендуют специальные добавки, которые здесь не описаны, поскольку их нельзя отнести ни к водопонизителям, ни к замедлителям. Однако в жирных бетонных смесях и в бетонных смесях с нормальным расходом цемента водопонизители полезны, так как они повышают прокачиваемость смесей при одинаковом с контрольными смесями водоцементном отношении. При этом следует повысить содержание песка для снижения водоотделения.
С другой стороны, водопо - нижающие добавки полезны и для смесей с уменьшенным содержанием цемента и воды при одинаковой с контрольными смесями осадке конуса. Так, согласно [22], в присутствии лигносульфоната удается на 30 % снизить расход энергии при осадке конуса, равной, как и у бетонной смеси без добавок, около 100 мм. Улучшению прокачиваемости и подвижности бетонной смеси способствует также вовлечение 3—5 % воздуха. Однако в случае перекачки по длинным трубопроводам возможно выжимание воздуха.
3.4.9. Однородность. Бетонная смесь при постоянном водоцементном отношении должна быть однородной. Температура — один из важнейших факторов, приводящих к изменению водоцементного отношения. При росте температуры требуется вводить в бетонную смесь больше воды для сохранения одинакового рас - плыва конуса. Это может быть компенсировано введением больших доз добавок-водопонизителей, которые, как следствие, стабилизируют водоцементное отношение и усадку конуса. Отмечено [149], что для поддержания на постоянном уровне осадки конуса, в бетонную смесь при изменении температуры с 4,4 до 37,7 °С нужно добавить 21 кг воды на 1 м3 смеси, тогда как при прочих равных условиях в присутствии водопонижающей и замедляющей схватывание добавки — всего 8 кг.
Изменение влажности заполнителей может вызвать более сильные колебания осадки конуса бетонной смеси с водопонизителем, чем в отсутствие добавки, поскольку указанные добавки делают бетонную смесь более чувствительной к изменению удобообраба - тываемости в зависимости от водосодержания (см. рис. 3.32). Поэтому влажность заполнителей следует учитывать /Для поддержания на постоянном уровне водоцементного Отношения и удобообрабатываемо - сти бетонной смеси, в частности, при использовании анализируемых добавок [135].
3.4.10. Отделочные операции. В присутствии замедлителей и (или) водопонизителей бетонная смесь может оставаться достаточно подвижной в течение нескольких часов после укладки. В работе [22] указано на существенное улучшение отделочных операций при укладке бетонной смеси благодаря применению добавки лигносульфоната.
Использование добавок — замедлителей, водопонизителей и замедлителей-водопонизителей удлиняет период между операциями разравнивания и поверхностной обработки при изготовлении бетонных плит, что особенно полезно при отделке плит больших размеров. Эти характеристики особенно важны в жаркую погоду, поскольку добавка может удлинить сроки схватывания цемента (см. разд. 3.4.11). Однако при этом с поверхности испаряется вода, а указанные добавки не препятствуют формированию корки.
В этих условиях требуется более тщательный уход за бетонной смесью и бетоном в течение длительного срока, чтобы обеспечить хорошее состояние поверхности плит. С другой стороны, вследствие замедляющего действия добавки легче разрушить возникающую корку с помощью механических средств [22].
Еще к одному недостатку добавок-водопонизителей на стадии отделочных операций относится использование их только в целях экономии цемента в тощих бетонных смесях. В результате ухудшается обрабатываемость поверхности бетона. Этот недостаток удается устранить, применяя нанесение на поверхность незатвер - девшей смеси порошка, состоящего из цемента, водопонизителя и высокодисперсного песка.
3.4.11. Сроки схватывания. Время до начала и конца схватывания цемента обычно удлиняют добавки-замедлители и замедлители-водопонизители (см. разд. 3.3.1.10 и 3.3.1.12). Однако в некоторых случаях наблюдается сокращение времени до начала схватывания; этот эффект удается предотвратить более поздним введением добавки. В табл. 3.2 и 3.10—3.12 приведены данные о влиянии технических замедлителей и замедлителей-водопонизителей на сроки схватывания различных цементов. Они свидетельствуют о том, что эффективность добавок в отношении различных цементов можно определить только экспериментально. В целом их замедляющее действие на пуццо - лановые и шлакопортландце - менты выражено сильнее, чем на портландцементы (см. табл. 3.12).
Из данных табл. 3.11 следует, что результаты определения сроков схватывания цемента в пастах в присутствии замедлителей и замедлителей - водопонизителей нельзя переносить на бетонные смеси из - за существенных различий между ними. Как правило, цементное тесто характеризуется большими сроками схватывания (определено с помощью иглы Вика), чем бетонная смесь (определено по методу Проктора). По данным [150], оптимальная доза добавки для замедления процессов загустева - ния бетонной смеси составляет примерно половину той, которая требуется для цементного теста.
На сроки схватывания влияет множество факторов, из которых наиболее важным следует признать количество воды затворения [151].
При сравнении между собой метода пенетрации по Проктору с методом выдергивания стержня преимущество следует отдать первому как более удобному и обеспечивающему воспроизводимость результатов [152].
Увеличивая содержание добавок, удается удлинить период, в течение которого можно вибрировать бетонную смесь (рис. 3.35). Однако при повышении начальной температуры смеси увеличение количества добавки обеспечивает лишь сохранение этого периода, соответствующего периоду вибрирования контрольной смеси без добавки (рис. 3.36).
При постоянной дозировке добавки изменение времени (ч) до начала и конца схватывания цемента зависит от температуры. Однако этот же показатель, но выраженный в процентах к эталону (без добавки), мало чувствителен к изменению температуры [130].
В работе [150] отмечено, что требования стандарта ASTM С-494 (см. разд. 3.6.2) для добавок нельзя непосредственно перенести на бетонную поверхность, если ее температура выше нормальной (23,9 °С). Авторы увеличивали дозировку технических и полученных в лабораторных условиях добавок-замедлителей и водопонизителей при 32,2 °С с тем, чтобы обеспечить приемлемые сроки схватывания смесей, и пришли к выводу, что замедляющий эффект добавок можно оценить и при температуре выше нормальной. Для наиболее реального времени перемешивания бетонной смеси, превышающего 6 мин, можно рекомендовать стандарт ASTM
28 GS: 21 I о" |
0 2 4 6 8 10 t, t |
Рис. 3.35. Влияние водопонизителей и замедлителей на предельное время вибрации (на кривых указано количество добавки) |
Рис. 3.36. Поведение растворной смеси с добавками — водопонизителями и замедлителями и без Добавок при разной температуре и одинаковой виб - рируемости смеси |
С-494, Превышение дозировки добавок может привести к излишне сильному замедляющему действию, что вызывает необходимость продолжительного ухода за бетоном. Однако возможно решение, при котором незначительное увеличение содержания добавок не окажет влияния ни на требования к прочности бетона в поздние сроки, ни на поддержание поверхности бетона в должном состоянии [130].
Технические добавки-водопонизители могут содержать некоторые компоненты, ускоряющие процессы гидратации цемента и ослабляющие действие основных водопонижаю - щих составляющих добавки. В результате сроки схватывания цемента с такой добавкой с точностью до +1 ч совпадают со сроками схватывания контрольных составов. Влияние технических водопонизителей на сроки схватывания цемента показано в табл. 3.1 и 3.5. Задержка в подаче добавки приводит к усилению ее замедляющего действия, которое можно ослабить, снизив ее содержание (см. табл. 3.5).
В водопонизителях — ускорителях схватывания и твердения содержатся компоненты, ускоряющие схватывание и твердение цемента. Это могут быть и свободные от хлоридов сложные добавки (см. табл. 3.1). Они необходимы в том случае, если требуется быстрая распалубка изделий (раньше, чем через 1 сут после укладки бетонной смеси) и нужно обеспечить достаточно высокую 12- или 24-часовую прочность бетона [96]. Эти же требования предъявляются к добавкам, применяемым при поверхностной обработке плит и при работе в холодное время года.
3.4.12. Теплота гидратации цемента. Водопонижающие добавки удлиняют время, через которое начинается интенсивное тепловыделение цемента. Используя лигносульфонат кальция, ортогидроксибензой - ную кислоту и хлорид кальция в разных соотношениях, удается управлять тепловыделением цемента в ранние сроки, сознательно изменяя этот процесс в сторону как замедления, так и ускорения [153]. Кроме того, перечисленные комплексные добавки повышают прочность образцов, отнесенную к теплоте гидратации цемента.
При использовании добавок — замедлителей и водопонизителей количество тепла, выделяющегося на раннем этапе гидратации цемента, ниже, чем у контрольных составов, однако к 38 сут оно или одинаково, или превышает теплоту гидратации последних [12, 22]. Исключения составляют добавки, обладающие водопо - нижающим и ускоряющим гидратацию цемента действием.
Снижение добавками начального тепловыделения полезно для решения с их помощью некоторых проблем тре- щинообразования в бетоне, в частности при повышенной температуре воздуха (см. разд. 3.4.14). С другой стороны, комбинации из водопонизителя и ускорителя, обеспечивающие более интенсивное тепловыделение цемента в ранние сроки, эффективны при их использовании в холодную погоду.
3.4.13. Рост температуры. Обычно в бетонной смеси водопонижающие и замедляющие схватывание добавки снижают рост температуры при гидратации цемента в ранние сроки, оставляют его на уровне эталона примерно к 3 сут и в отличие от добавок-водопонизителей — ускорителей схватывания и твердения цемента несколько повышают его в более поздние сроки [22]. При прочих равных условиях влияние состава и количества цемента на рост температуры более существенно, чем влияние добавок. В работе [22] отмечена разница в 4,5 °С между температурой контрольной смеси и смеси с добавкой водопонизителя-замедлителя (к 28 сут) при сокращении с помощью этой добавки расхода цемента на 5 %.
3.4.14. Пластическая усадка. Добавки водопонизители-замедлители могут усилить усадку бетонной смеси и в конечном счете процессы трещинообра - зования, хотя они и способствуют сохранению влаги в материале. Они могут снизить опасность трещинообразования лишь в том случае, если оно происходит вследствие ускоренной гидратации цемента в ранние сроки (и соответственно его интенсивного тепловыделения) [135].
3.5. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК
ВОДОПОНИЗИТЕЛЕЙ-ЗАМЕДЛИТЕЛЕЙ
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТВЕРДЕЮЩЕГО
БЕТОНА
Рассматриваемые добавки могут влиять на физические, механические и химические свойства твердеющего бетона, в частности и при снижении его водопотребности.
3.5.1. Физические свойства. При постоянной прочности растет плотность бетона вследствие снижения количества воды затворения при сохранении одинакового с контролем объема воздуха. По данным [130], в этих условиях плотность бетона возрастает на 0,6—1,2 %.
Пористость бетона и раствора в присутствии водопонизителей зависит от степени гидратации цемента и водоцементно - го отношения. В более поздние сроки твердения, когда степень гидратации цемента не столь существенно зависит от добавок, пористость бетона тем ниже, чем меньше В/Ц. В результате эталонные образцы (без добавок) и бетоны с добавками, но при пониженных расходах цемента и воды затворения, имеют близкие пористость и кривую распределения пор, по размерам в области более мелких пор (рис. 3.37). Как видно, при В/Ц = 0,5 для образцов из портландцемента участок кривой распределения пор по радиусам в интервале 1—7,5 нм практически не отличается от аналогичного участка кривой для образцов из портландцемента, содержащих 0,2 % технического лигносульфоната, однако для них характерно повышенное содержание пор с радиусом более 7,5 нм.
Общая пористость, включающая поры с радиусом< <20 нм, для портландцемента, содержащего 0,2 % технического лигносульфоната, тоже несколько выше, чем для этого же цемента без добавки, тогда как у составов на пуццо - лановом и шлакопортландцементе без добавок и с добавкой различие не обнаружено.
Аналогичные результаты получены и в работе [155]: при близкой общей пористости содержание 0,25 % лигносульфоната увеличивает объем пор с радиусом более 10 нм на 8 % в образцах из раствора и на 30 % — из теста.
В табл. 3.16 приведены значения пористости (Vp) и удельной поверхности (S) образцов из цементных паст (В/Ц = 0,5) без добавок и с добавкой 0,2 % технического лигносульфоната кальция (ЛСК) в возрасте 7 сут.
Таблица 3.16 пористость и УДЕЛЬНАЯ поверхность образцов
|
Примечание. Vp — объем пор с радиусом меньше 20 нм в расчете на цементный камень; S — удельная поверхность, определенная по методу БЭТ в расчете на цементный камень. |
Поверхностные свойства бетона. Из данных табл. 3.16 видно, что через 7 сут твердения удельная поверхность образцов с 0,2 % лигносульфоната кальция несколько выше, чем у эталонных. Аналогичные результаты получены при обработке кумулятивных кривых распределения пор по размерам [8]. Эти результаты можно объяснить частично большей степенью гидратации цемента в присутствии добавки и соответственно возросшим объемом продуктов гидратации к 7 сут (см. табл. 3.13).
Проницаемость бетона. В связи с пониженным водоце - ментным отношением пористость и проницаемость бетона с добавками рассматриваемых типов уменьшаются (см. разд. 3.5.1.2). Из данных рис. 3.38 видно, что при постоянном расходе цемента (300 кг/м3 бетона) и осадке конуса (100 мм) введение 0,2 % технического гидроксилированного полимера - водопонизителя снижает проницаемость бетона как в раннем возрасте, так и в более поздние сроки [119]. Близкие данные получены при использовании в качестве добавок лигносульфоната аммония, технического лигносульфоната и смесей гидроксикарбоновых кислот [156]. Уменьшение проницаемости бетона, обусловленное водопонижающим действием добавок, наблюдается и когда их используют для снижения расхода цемента, что объясняется, по-видимому, повышенной степенью гидратации цемента [156].
Усадка при высушивании бетона (структурная усадка). Из данных табл. 3.17 и 3.18 видно, Таблица 3.17. усадка цемента без добавки и с добавкой лск
|
Таблица 3.18. усадка бетона
|
Что водопонижающие добавки либо не ухудшают этот показатель раствора и бетона, либо лишь незначительно изменяют его [8, 119]. Так, в присутствии 0,2 % технического лигносульфоната кальция раствор (В/Ц = 0,5) характеризуется более быстро протекающими деформациями усадки и большим значением усадки к 7 сут по сравнению с эталоном, но к 90 сут величина усадки оказывается одинаковой (см. табл. 3.17). Аналогичные данные получены и при использовании глюконата натрия или сахарозы, смесей лигносульфоната кальция с хлоридом кальция, а также лигносульфоната и три-
Рис. 3.38. Проницаемость бетона без добавки (/) и с добавкой водопонизителя (2) при одинаковой осадке конуса смеси |120) |
Этанол амина [157]. Установлю но [13], что и добавки на ос - .нове гидроксилированных органических веществ способствуют более сильной усадке в раннем возрасте, однако этот их эффект со временем уменьшается, и через несколько месяцев усадка практически полностью приостанавливается.
Некоторое повышение усадочных деформаций в присутствии добавок можно объяснить отчасти тем, что добавки увеличивают содержание более крупных пор, а также удельную поверхность цементного камня из-за возрастания его объема в результате более полной гидратации цемента в раннем возрасте (см. рис. 3.37).
В табл. 3.17 приведены значения усадки (миллионные доли) при высушивании раствора без добавок и с 0,2 % лигносульфоната кальция (ЛСК) в течение 1 сут; сушка при 20 °С и 50 %-ной относительной влажности [8].
В табл. 3.18 приведены значения усадки бетона в зависимости от водоцементного отношения и наличия (или отсутствия) добавки в виде технического гидроксилированного полимера [120]. Расход цемента 300 кг на 1 м3, осадка конуса 100 мм. Уход в течение 7 сут, сушка при 20 °С и 65 %-ной относительной влажности.
Согласно работе [150], значение усадки зависит от типа добавки и ее дозировки. В большинстве случаев авторы нашли, что добавки либо уменьшают усадку, либо не оказывают на нее сколько-нибудь существенного влияния.
В работе [22] приведены результаты изучения влияния лигносульфоната, а также гид - роксикарбоновых кислот на усадку при сушке таких бетонов со сниженным расходом либо только воды, либо цемента и воды. Установлено, что через 28 сут и 1 год бетоны с этими добавками имели меньшую усадку, чем бетоны без добавки, тогда как в возрасте 3 и 7 сут в некоторых случаях усадка бетонов с добавкой была несколько выше, чем у контрольных образцов. Обнаружено также, что введение добавки лигносульфоната приводит к снижению усадки бетонных образцов, изолированных от внешней среды как в раннем возрасте, так и в более поздние сроки (вплоть до пяти лет).
Ползучесть бетона зависит от таких факторов, как тип цемента и состав бетона, вид заполнителей, время загруже - ния конструкций, степень гидратации цемента к этому времени и ее протекание под нагрузкой, колебание влажности цементного геля и сушка бетона под нагрузкой (ползучесть при сушке), а также изменение условий равновесия между окружающей средой и бетоном при его нагружении.
На сегодня имеются лишь ограниченные сведения о влиянии замедлителей и водопони - жающих добавок на ползучесть бетона, причем большинство этих данных не связано с изучением роли добавок в развитии ползучести бетона в зависимости от перечисленных факторов. В работе [158] исследовано влияние технического лигносульфоната на ползучесть раствора из цементов типа I и V по ASTM при постоянном водоцементном отношении. Образцы выдерживали под нагрузкой в насыщенном растворе гидроксида кальция. При выборе момента нагружения исходили из условия одинаковой степени гидратации цемента в бетоне без добавки и с добавкой. Установлено, что при использовании цемента типа I добавка повышала меру и абсолютное значение ползучести как в начальные сроки, так и в более позднем возрасте, что согласуется с другими литературными данными [159, 160]. С другой стороны, при использовании цемента типа V не обнаружили сколько-нибудь существенной разницы между ползучестью бетона с добавкой и без нее.
В исследовании [161] использован цемент типа III; опыт проводили при относительной влажности воздуха 50 %; образцы готовили при постоянном В/Ц с добавками лигносульфоната и гидроксикарбо - новой кислоты (эталоном служили образцы без добавки). Продолжительность наблюдений— 12 ч после нагружения. Выбранная влажность воздуха позволяла одновременно учесть и «основную» ползучесть образцов и ползучесть, вызванную высушиванием.
Анализ результатов позволяет предположить, что возрастание деформаций ползучести образцов в присутствии лигносульфоната обусловлено большей легкостью их влаго - обмена [161], что подтверждают данные, приведенные на рис. 3.37 [5, 155]. Повышению ползучести образцов способствует и уменьшение лигносуль - фонатом поверхностного натяжения воды [161].
В присутствии гидроксикар - боновой кислоты в меньшей степени проявляются ползучесть и снижение влажности образцов (в сравнении с контрольными) . Однако тенденция к изменению влажности в образцах с добавками такова, что в более поздние сроки можно ожидать увеличения потери влаги. Это согласуется с длительными испытаниями на ползучесть образцов с добавкой гидроксикарбоновой кислоты; в большинстве случаев она выше, чем у контрольных об-
6 Зак 976
Разцов [159, 162]. Однако в легких бетонах с этой же добавкой деформация ползучести для большинства изученных влажностных условий была ниже, в том числе и при длительных сроках нагружения [162].
Хотя в присутствии лигносульфоната не обнаружили никаких существенных изменений морфологии продуктов гидратации цемента (см. разд. 3.3.1.10), последовательность их образования и количественное соотношение продуктов гидратации могут сильно отличаться, если добавки отсутствуют. Это обстоятельство час - тично объясняет влияние изучаемых добавок на ползучесть бетонов, особенно если они изменяют скорость и степень гидратации цемента под нагруз - / кой. /
3.5.2. Механические свойства бетона. Такие механические показатели бетона, как прочность при сжатии, растяжении и изгибе, модуль упругости, прочность сцепления и износостойкость, в большей или меньшей степени взаимозависимы, поэтому изменение одного из них приводит к изменению других, однако степень подобных изменений неодинакова.
3.5.2.1. Прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут. Снижение количества воды затворения в присутствии добавок приводит к росту прочности бетона к 28 сут (см. рис. 3.1, 1 и 3.3), причем это повышение больше, чем можно было ожидать, исходя только
161
Из снижения водоцементного отношения (см. рис. 3.32). Причины более высокой прочности бетона с добавками по сравнению с контрольными образцами при одинаковом водоце - ментном отношении объясняются большей степенью гидратации цемента с добавками в поздние сроки (см. рис. 3.2; 3.28; 3.29; 3.31 и 3.1, III). Как видно, сказанное относится к таким водопонижающим и замедляющим схватывание добавкам, как сахароза, лигносульфонаты и глюконовая кислота.
В работе [163] установлено следующее соотношение между прочностью при сжатии бетона без добавки Sp и с 0,266 % технического лигносульфоната кальция Sa в возрасте 28 сут и отношением (вода+ воздух)/цемент:
S„ = 8518—183V„, (3.8)
S„ = 8190— 1992V,,, (3.9)
Где Va и Vp — отношение (вода +воздух) соответственно к цементу с добавкой и без нее. Это соотношение свидетельствует о том, что при постоянном содержании цемента и воздушной фазы в бетоне с воз - духововлекающей добавкой прочность к 28 сут возрастает на 19 % при снижении количества воды всего на 5 %, тогда как прочность бетона без добавки повышается на 15 % при снижении содержания воды на 10 %.
В работах [22] обобщены результаты многочисленных лабораторных и натурных экспериментов. Авторы пришли к выводу, что в присутствии добавок-водопонизителей и замедлителей схватывания при одинаковых с контрольным расходах цемента и осадке конуса прочность при сжатии бетона к 28 сут на 20 % выше. Соответственно при постоянных прочности бетона и осадке конуса смеси можно на 8 % снизить расход цемента. Аналогичные результаты подтверждены в многочисленных исследованиях, проведенных с цементами без пуццо - лановых добавок и с ними [96, 134, 135, 156]. Однако, согласно [135], невозможно дать универсальную характеристику снижения расхода цемента с помощью таких добавок, поскольку их оптимальная дозировка зависит от природы добавки, вида и состава цемента.
Прочность при сжатии в другие сроки. Прочность бетона зависит от того, являются ли водопонизители замедляющими, ускоряющими или они не изменяют сроки схватывания цемента [см. рис. 3.2 и 3.3]. В целом в возрасте более 28 сут прочность бетона с добавками по сравнению с бетоном без добавок изменяется примерно так же, как и через 28 сут, что было подтверждено при испытании материала в течение 5 лет [22].
В раннем возрасте (1 сут) прочность при сжатии бетонов с водопонижающими добавками (лигносульфонатом, глкжо - новой кислотой или сахарозой) ниже, чем контрольных (см.
Рис. 3.29 и 3.30), что объясняется их замедляющим процессы гидратации цемента действием (рис. 3.28); причем чем больше содержание добавок, тем сильнее их замедляющий эффект.
Если сравнить бетоны без добавок и бетоны с техническими добавками при одинаковых расходе цемента и осадке конуса, то разница в прочности окажется несколько ниже и будет зависеть от типа добавок. Если они замедляют процессы гидратации, то эта разница будет больше. Водопонизители-ускорители могут обеспечить повышение ранней прочности бетонов с добавками по сравнению с бетонами без добавок (см. рис. 3.2 и 3.3, табл. 3.5).
В возрасте 3 и 7 сут прочность бетона с добавками возрастает сильнее, чем в одно - и 28-суточном возрасте, причем даже если применяют добавки водопонизители-замедлители при одинаковом с контрольными составами водоце - ментном отношении, то прочность последних ниже, чем бетона с этими добавками (рис. 3.29 и 3.30), за исключением случая их чрезмерно высокой дозировки (рис. 3.30).
Прочность бетона при изгибе. При одинаковых с контрольным бетоном расходе цемента и осадке конуса введение лигносульфоната или гидроксикарбоновой кислоты приводит к 10 %-ному повышению прочности в возрасте от 7 сут до 1 года; соответственно равнопрочные бетоны 6* можно получить при снижении расхода цемента на 15 % [156].
Как видно из данных рис. 3.29, в присутствии лигносульфоната кальция растворы на портландцементе в возрасте 3 сут и более характеризуются более высокой прочностью при изгибе, чем контрольные. Аналогичные результаты получены и при использовании пуццола - нового и шлакопортландцементе [8].
Прочность бетона при растяжении. Несмотря на трудность получения надежных данных имеющиеся публикации свидетельствуют о том, что добавки либо не) изменяют, либо повышают прочность бетона при рас-1 тяжении [22]. В присутстг вии лигносульфоната и гидроксикарбоновой кислоты прочность бетона при сдвиге выше, чем бетона без добавок [22].
3.5.2.2. Модуль упругости. Хотя считается, что модуль упругости приблизительно пропорционален корню квадратному прочности бетона при сжатии, четкая зависимость между этими показателями в присутствии добавок не определена. Так, при увеличении модуля упругости бетона с добавкой гидроксикарбоновой кислоты на 7 % прочность его при сжатии возросла на 24 % по сравнению с контрольным бетоном при одинаковой удобообраба- тываемости смеси [156]. Модуль упругости бетона с добавкой лигносульфоната в. возрасте от 1 до 5 лет на 2—8 % больше, чем модуль контроль - ного бетона, даже при меньших расходе цемента и воды и повышенном содержании заполнителя [1561. Это можно объяснить более высоким модулем упругости заполнителя.
3.5.2.3. Адгезионная прочность. Показано [156], что добавка лигносульфоната повышает прочность сцепления в бетоне на 15—20 % и уменьшает проскальзывание арматуры при одинаковом значении адгезионной прочности. Этот результат можно связать со снижением в присутствии добавки В/Ц и соответственно во - доотделения и усадки, что приводит к увеличению сил адгезии.
3.5.2.4. Износостойкость бетона. Согласно некоторым данным [164], износостойкость пропорциональна прочности бетона при сжатии, следовательно, добавки-водопонизите - ли должны улучшать износостойкость бетона, особенно в условиях жаркого климата, что подтверждено в опытах [156].