4. 6. 1. Водопонизители и замедлители схватывания.

Водопонизители – добавки, уменьшающие количество воды, необходимое для обеспечения бетонной смеси такой же подвижности, как у обычной смеси. Это позволяет снижать пропорционально расход цемента.

Добавки, удлиняющие сроки схватывания цемента и удобоукладываемость бетонной смеси, известны как замедлители схватывания, или замедляющие добавки.

На рис. 4. 13 показана схема действия водопонизителей на свежий и затвердевший бетон.

Важнейшие вещества, используемые при производстве водопо-нижающих добавок, могут быть разделены на четыре группы. К первой из них относятся кальциевые, натриевые или аммониевые соли лигно-сульфоновых кислот, ко второй – соли гидроксикарбоновых кислот – в осно-вном с теми же катионами, а так же триэтаноламином. К третьей группе при-надлежат углеводы, четвёртую составляют все остальные вещества, эти до-бавки используют в основном в виде водных растворов плотностью 1,1 – 1, 3.

Рис. 4.13. Схема действия водопонизителей на свежий и затвердевший бетон. (В действительности отмечается несколько меньшая прочность в ранние сроки и несколько большая прочность в длительные сроки. Исключение составляет применение ускоряющих водопонизителей: в этом случае прочность выше и в ранние, и в длительные сроки)

В таблице 4.18 сведены наиболее популярные в США, Европе, Японии и на Среднем востоке добавки – водопонизители – замедлители схватывания.

Таблица 4. 18. Состав и характеристика некоторых технических добавок-водопонизителей («В») и замедлителей схватывания цемента («З»)

Активные компоненты добавок	Основные эффекты	Дозировка мл/кг	Плотность кг/л
Модифицированные лигносульфонат + формиат	«В»; ускоритель схватывания цемента; ускорение сроков схватывания на 0,5-2 ч	5÷20	1,15
Очищенный лигносульфонат	«В»; «З»; водопонижение на 10-15 %; замедление сроков схватывания на 2-3 ч	2,4	1,16
Лигносульфонат	«В»; «З»; водопонижение до 15 %; замедление сроков схватывания на 2-4 ч	4÷8	1,15-1,2
Модифицированный лигносульфонат	«В»	5	1,14-1,16
Соль гидроксикарбоновой кислоты	«В»	2	1,1
То же	«В»; «З»	1,3-2,6	-
»	«В»	1,3-2,6	-
Гидроксикарбоновая кислота + меласса	«В»; «З»; водопонижение до 10 %; замедление сроков схватывания на 2,5 – 3 ч	1,2-1,25	1,2
Лигносульфонат + формиат	«В»; водопонижение более чем на 10 %; нормальные сроки схватывания	4	1,2
Гидроксилированные полимеры	«В»	1,2-1,25	1,23
То же	«В»; «З»	2,4	1,15

Эти добавки применяют, как правило, в виде нейтральных или слабощелочных водных растворов.

Лигносульфонаты– наиболее широко используемые сырьевые материалы для производства добавок – водопонизителей, начало применения которых приходится на тридцатые годы. Средняя молекулярная масса лигносульфонатов лежит в пределах 20 000 – 30 000 при молекулярно-массовом распределении от нескольких сот до 100 000. строение и состав лигносульфонатов весьма сложны и могут быть изображены в виде фенилпропан замещенного полимера с гидроксильными (- OH), литоксильными (-C₆H₅) и сульфогруппами (- SO₃H).

Лингосульфаты получают в виде смолоподобного продукта при гидролизе древесины на целлюлозно-бумажных комбинатах. Полупродукт содержит смесь сульфолигнина, продуктов разложения целлюлозы и лигнина, различные углеводы и свободные серную кислоту и сульфаты. Состав лигносульфонатов в большей мере зависит от того, насколько удачно осуществляются процессы нейтрализации, осаждения и ферментации конечного продукта, а также от породы и возраста древесины, используемой в качестве сырья.

Технические лингосульфонаты, используемые в качестве водопонижающих добавок, содержат до 30 % углеводов.

В лингосульфонатах, используемых в качестве добавок, катион металла или аммония замещён H⁺ в сульфогруппах сульфоновых кислот. Наиболее распространены лигносульфонаты кальция и натрия.

Лигносульфонаты – главные замедляющих или замедляюще-водопонижающих добавок. При необходимости сохранить водопонижение, но исключить замедляющее схватывание и раннее твердение, действие лигносульфаната совмещают с ускорителями, такими, как триэтиноламин или хлорид и форминат кальция, а также некоторые другие соли.

Обычно добавки на основе лигносульфонатов обладают определённым воздухововлекающим действием. Этот эффект желателен, если нужно повысить морозостойкость бетона или улучшить когезию в тощих смесях или бетонах на крупных песках. Однако предпочтение следует отдать комплексным добавкам, состоящим из водопонизителей и воздухововлекающих веществ, причём последние вводят для получения заданного содержания воздуха, зависящего от содержания крупного заполнителя, условий перемешивания, типа цемента и песка.

Показатели водопоглощения и пористости смешанного вяжущего

Вид ТДН	Сод цемента, %	В/Т	Плотность в сухом состоя-нии, кг/м3	Водо-погло-щение по массе, Wм, %	Объем откры-тых капил. пор, %	Показатели пористости по кинетике водопоглощения							Коэф-фици-ент размягчения
						Wt2, %	Wt2’, %	Λ1	Wt1, %	Wt1’, %	α	Λ1
Диатомит	10 20 30	1,03 0,9 0,77	1020 1060 1190	59,39 54,58 48,50	60,58 57,85 57,71	55,98 50,82 45,16	0,94 0,93 0,93	2,80 2,65 2,65	54,8 49,6 44,9	0,92 0,91 0,86	0,09 0,08 0,22	>10 >10 >10	0,79 0,69 0,66
Опока	10 20 30	0,6 0,57 0,53	1100 1110 1240	55,31 52,43 45,43	60,84 58,24 56,33	53,12 50,33 43,80	0,96 0,96 0,96	3,30 3,30 3,30	52,23 49,11 36,47	0,94 0,94 0,80	0,12 0,12 0,52	>10 >10 >10	0,68 0,70 0,81
Известняк	10 20 30	0,29 0,28 0,27	1680 1777 1850	23,96 21,67 19,30	40,25 38,36 35,71	22,52 19,77 17,43	0,94 0,91 0,90	2,80 2,40 2,30	15,23 9,72 9,35	0,64 0,45 0,48	0,74 1,0 0,92	4,25 2,7 2,5	0,55 0,62 0,69

С целью снижения воздухововлечения от лигносульфонатов в бетонную смесь иногда вводят антипенные добавки, например трибутилфосфат, дибутилфталат, бораты и производные силиконов в количестве около 1 % от содержания лигносульфонатов.

Кинетика набора прочности смешанного вяжущего с добавками-ускорителями

Вид ТДН	Наименование добавки	В/Т	Прочность в возрасте, МПа
			1 сут	3 сут	7 сут	28 сут	90 сут	360 сут
Диатомит	- CaCl2 Na2SO4	0,77	1,0 2,1 2,0	3,0 4,0 3,6	5,0 7,5 7,7	14,0 15,1 15,0	14,5 15,8 15,5	15,0 16,4 16,0
Опока	- CaCl2 Na2SO4	0,53	1,5 3,5 3,0	4,5 8,8 6,5	6,0 14,6 12,5	26,8 30,0 29,5	27,5 30,5 30,5	28,5 31,6 31,5
Известняк	- CaCl2 Na2SO	0,28	8,0 11,0 10,6	14,3 17,3 16,3	21,0 24,5 22,5	28,0 35,0 32,0	30,5 37,5 33,3	31,0 38,5 34,5

Гидроксикарбоновые кислоты. Соли этих органических кислот стали применять в качестве водопонизителей и замедлителей схватывания в пятидесятые годы. Хотя масштабы их использования сейчас существенно расширились, они заметно уступают в этом отношении лигносульфонатам. Как следует из названия, соединения содержат несколько гидроксильных (-OH) и одну или несколько конечных карбоксильных (-COOH) групп при относительно краткой длине углеводородной цепи.

В основном эти соединения используют в виде 30 % - того водного раствора натриевых солей и редко – в виде солей аммония или триэтаноламина. Обычно их получают синтетическим путём, поэтому они характеризуются более высокой степенью чистоты, чем при получении из сырых материалов в фармацевтической и пищевой промышленности. Тем не менее некоторые алифатические гидроксикарбоновые кислоты могут быть получены также путём ферментации или окисления углеводов и поэтому их называют ещё «сахарными» кислотами.

Гидроксикарбоновые кислоты могут быть использованы самостоятельно как добавки – замедлители и добавки водопонизители – замедлители. При необходимости обеспечить нормальные сроки схватывания цемента и ускорить процесс твердения добавки нужно использовать в смеси с ускорителями как для добавок лигносульфонатов.

Углеводы – это природные вещества, такие как глюкоза и сахароза или гидроксилированные полимеры, получаемые путём частичного гидролиза полисахаридов, которые содержатся в кукурузном крахмале и образуют полимеры со сравнительно небольшой молекулярной массой (в них содержатся 3-25 глюкозидных групп).

В качестве добавок водопонизителей можно использовать также органические вещества: глицерин, поливиниловый спирт, алюмометил силиконат натрия, сульфаниловую кислоту. В дополнение к ним имеются некоторые неорганические вещества: бораты, фосфаты и др. Однако они менее популярны, чем органические продукты из-за более высокой стоимости и пониженной растворимости в водных растворах, включая нейтральные растворы. Кроме того, большинство этих веществ обладают повышенной токсичностью.