Сфера застосування пар
Отже, тонкі мономолекулярні шари ПАР спричиняють достатньо різкі зміни інтенсивності молекулярної взаємодії на границі поділу, а також зміну швидкості обміну речовин між суміжними тілами, що своєю чергою, викликає різкі зміни у взаємодії даних тіл. Це обумовлює їх високу техніко-економічну ефективність у виробництві будівельних матеріалів, у текстильній і паперовій промисловостях, у виробництві косметики, фармацевтичних, бактерицидних, дезинфікуючих засобів, у побутовій хімії, сільському господарстві, процесах флотації, виробленні шкіри, при фотографуванні, друкарській справі і гравіюванні тощо.
2.2. Пар в технології цементного бетону
В технології дорожнього цементобетону застосовуються добавки на основі ПАР для регулювання реологічних властивостей бетонної суміші та покращення структури затверділого бетону. Основні ефекти дії ПАР – пластифікація і стабілізація бетонних сумішей, втягування повітря і створення системи замкнених сферичних пор, сповільнення тужавіння цементу. Найбільше значення в технології цементів, будівельних розчинів і бетонів мають хімічні добавки на основі ПАР – стабілізаторів-структуроутворювачів (3 група класифікації за механізмом дії) і поверхнево-активні на границі рідина-газ (1 група).
Відомо, що для гідратації цементу стехіометрично потрібно 18...20% води за масою цементу залежно від мінералогічного складу і тонкості помелу, для досягнення пластичності цементного тіста, що відповідає нормальній густоті – 26...30%, для забезпечення зручноукладальності бетонної суміші – практично 40...70% (В/Ц=0.4...0.7). Потреба щодо надлишків води диктується лише реологічними умовами перемішування та ущільнення. В подальшому надлишок води в бетонній суміші відіграє негативну роль, збільшуючи пористість затверділого бетону і, як наслідок, зменшує його міцність і довговічність.
Добавки стабілізатора-пластифікатора, руйнуючи просторову сітку, зменшують кількість рідкого середовища, яке не зв’язується молекулярними силами, проте механічно утримується в комірках структури. За рахунок цього зменшується водопотреба твердої ДФ – об’єм рідини, мінімально необхідний для отримання однорідного замісу на одиницю об’єму твердої ДФ.
Стабілізатори перешкоджають агрегатуванню частинок (коагуляції або коалесценції) і запобігають розвитку коагуляційних структур, адсорбційно блокуючи місця зчеплення частинок і перешкоджаючи їх зближенню. Тому стабілізатори суспензій одночасно є адсорбційними пластифікаторами: у вигляді дуже малих добавок вони зменшують структурну в’язкість системи.
ПАР впливають на процес тверднення цементного каменю. З однієї сторони, вони запобігають флокуляції цементних частинок, пептизують новоутворення, що сприяє твердненню. З другої сторони, утворення тонких прошарків ПАР на частинках цементу ускладнює дифузію води вглиб зерен, що гальмує тверднення. В початковий період, як правило, переважає другий чинник, в подальшому гальмівна дія ПАР послаблюється і сильніше проявляється перший чинник.
Флокуляція – рихле зчеплення частинок із спрямованими зовні вуглеводневими радикалами.
За характером дії розрізняють гідрофільно- та гідрофобно-пластифікуючі добавки.
Гідрофільно-пластифікуючі аніонактивні ПАР з молекулярною масою Mn=(2...3).105, що містять функціональні групи (гідроксильні, карбоксильні, сульфогрупи), які рівномірно розподілені по довжині ланцюга, сорбуються більш полярними ФГ, переважно, на гідратних новоутвореннях цементу, кутах і мікрощілинах цементних зерен, розташовуючись плазом уздовж поверхні твердої фази (рис. 2.3).
ПАР диспергують цементні зерна, збільшуючи вміст у суміші дрібних часток із сольватними оболонками і тим самим кількість міцно зв’язаної води. Як наслідок, зростає ефект «змащення» і збільшується рухливість бетонної суміші.
Рис. 2.3. Дія гідрофілізуючої добавки-пластифікатора ПАР: 1 – частинка цементу; 2 – вода; 3 – молекули добавки з негативним зарядом на поверхні
Основним видом пластифікатора в цементній промисловості є лігносульфонати технічні – ЛСТ, ЛСТМ. Це стандартний продукт із відпадків целюлозно-паперової промисловості. Активною складовою цього пластифікатора є лігносульфонати кальцію, а також речовини типу вуглеводнів. Випускають також пластифікатори ПАЩ-1, УПБ, ПФМ-БС, ВРП-1 тощо.
ЛСТ (ЛСТМ) підвищує рухливість бетонної суміші, її однорідність, текучість при перекачуванні, сприяє збереженню рухливості суміші в часі, дозволяє за рахунок зменшення витрати води скоротити на 8...12% витрату цементу, або при сталій витраті цементу зменшити В/Ц відношення і певною мірою підвищити міцність, водонепроникність і морозостійкість бетону. Водночас, ЛСТ дещо уповільнює тверднення бетону у ранні строки. Дія ЛСТ в основному спрямована на цементне тісто, тому ефективність їх застосування проявляється в бетонах із достатньо високою витратою цементу. У бетонну суміш ЛСТ вводять у кількості від 0,1 до 0,5% до маси цементу, витрата на 1м3 бетону становить 0,5...1,0 кг.
Гідрофобно-пластифікуючі добавки застосовують для бетонів із малими витратами цементу («пісних» бетонів). Після затвердіння бетону ці добавки адсорбуються в порах бетону і перетворюють тверді поверхні з гідрофільних на гідрофобні, що забезпечує бетону водовідштовхувальні властивості (рис. 2.4.). Тому знижується водопоглинання і водопроникність бетону, а морозостійкість і корозійна стійкість зростають.
Рис. 2.4. Дія гідрофобізуючої добавки-пластифікатора ПАР: 1 – стінка пори; 2 – адсорбційний шар ПАР; 3 – вода, повітря.
До додатків гідрофобно-пластифікуючої дії відносяться кремнійорганічні рідини: ГКЖ-11 (метилсиліконат Na), ГКЖ-10 (етилсиліконат Na), ГКЖ-94 (етилгідросилоксанова рідина). Застосовують їх для збільшення стійкості бетонів і розчинів в агресивному середовищі, підвищення довговічності бетону, а також як гідрофобізатори поверхонь ніздрюватих бетонів.
Повітровтягувальні добавки (ПАР 1-ої групи за механізмом дії) зменшуючи поверхневий натяг води, сприяють втягуванню при перемішуванні бетонної суміші найдрібніших повітряних бульбашок. Бетонна суміш при цьому має кращу легковкладальність, а затверділий бетон – підвищену морозостійкість. Тому об’єм втягненого повітря у бетонній суміші для одношарових і верхнього шару двошарових покриттів повинен забезпечуватися на рівні 5-7 об.%, а для нижнього шару двошарових покриттів – 3-5 об.%. Підвищення морозостійкості пояснюється тим, що повітряні бульбашки в затверділому бетоні виконують роль резервного об’єму для води, яка при замерзанні розширяється, і попереджають виникнення внутрішніх напружень від тиску льоду. При цьому міцність бетону практично не знижується.
Представниками цих добавок є смола нейтралізована повітровтягувальна (СНП), смола деревна омилена (СДО), сульфанол (С).
Для сповільнення тужавіння цементу застосовують добавки-стабілізатори, які водночас зменшують водопотребу суміші та витрату цементу, наприклад, лігносульфонати технічні (ЛСТ), кремнійорганічні рідини (ГКЖ-10, ГКЖ-11), цукрову патоку тощо.
Додатки ПАР, переважно, вводять у бетономішалку разом із водою. Для найкращого розчинення ПАР у воді, їх попередньо підігрівають до t=60-70 oC. Дозування води і додатків ПАР автоматизують, а перемішують їх за допомогою різних змішувальних пристроїв. Можливе введення ПАР на стадії помелу цементного клінкеру, при цьому, присутність ПАР інтенсифікує процес помелу. Найгірший ефект пластифікації спостерігається в бетонах на високоалюмінатних цементах.
Додатки ПАР, як гідрофобізаторів так і пластифікаторів, все ширше застосовуються для стабілізації і ущільнення ґрунтових структур у будівництві та інженерній геології, а також для захисту від ерозії.
Гідрофобізовані грунти не змочуються водою, в них відсутнє або зменшене капілярне підняття і водопроникність при малих напорах. Глинисті грунти стають водостійкими і зберігають механічну міцність у присутності води.
В останні роки прогрес в технології бетону пов’язується із суперпластифікаторами (СП). Переважно, це синтетичні полімерні сполуки, які вводять у бетонну суміш у кількості 0.1...1,2% від маси цементу. Суперпластифікатори останнього покоління готуються на основі полімерів полікарбоксилатної прирорди. Вони суттєво збільшують рухливість і текучість бетонної суміші, покращують будівельно-технологічні властивості бетону, сприяють економії цементу.
Дія суперпластифікатора обмежується 2...3 год. з моменту введення в бетонну суміш. Проте СП не уповільнюють тверднення бетону, оскільки адсорбційний шар додатку на поверхні зерен цементу не є перешкодою для води, а їх дефлокуюча дія збільшує поверхню контакту цементу і води, а відтак, і кількість новоутворень.
В Україні випускається СП – Релаксол (Запоріжжя), ДОФЕН (Донецький ПромбудНДІПроект), в Росії – С-3, 10-03, ВС, 40-03, у Великобританії – Компласт, Кормікс, у США – Ломар Д, Позоліш 300N.
Дофен-М є олігомерним продуктом на основі сульфокислот нафталіну та його похідних. Використовується при виробництві цементу, монолітного і збірного залізобетону. Він дозволяє збільшити рухливість бетонної суміші до литої, підвищити міцність конструкцій до 70%, їх водонепроникність на 2-3 марки, скоротити витрату цементу на 20%.
Отже, застосування хімічних добавок на основі ПАР є одним із найбільш універсальних, доступних і гнучких способів керування технологією бетонів (розчинів, кераміки) та регулювання їх властивостей