Добавки к бетонам

Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента применяют различные добавки. Их подразделяют на два вида: химические, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1-2% от массы цемента) и изменяющие в нужном направление свойства бетонной смеси и бетона и тонкомолотые добавки (5-20% и >), использующиеся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона.

Химические добавки классифицируются по основному эффекту действия: 1) регулирующие свойства бетонной смеси пластифицирующие, т.е. предупреждающие расслоение бетонной смеси, водоудерживающие, уменьшающие водоотделение; 2) регулирующие схватывание бетонных смесей и твердения бетона; ускоряющие или замедляющие схватывание, ускоряющие твердение при отрицательных температурах; 3) регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона, водоудерживающие газообразующие, пенообразующие уплотняющие (воздухоудаляющие, и кольматирующие поры бетона), гидрофобизирующие; добавки-регуляторы деформаций бетона, расширяющие добавки; 4) повышающие защитные свойства бетона к стали ингибиторы коррозии стали; 5) придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие, антикоррозионные; повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства, электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные.

Некоторые добавки обладают полифункциональным действием, например пластифицирующие и воздухововлекающие; газообразующие и пластифицирующие и другие.

В качестве пластифицирующих добавок широко используют ПАВ, их делят на две группы:

- I группа – пластифицирующие добавки гидрофильного типа, улучшающие текучесть цементного теста. Довольно широка применяется СДБ – кальциевая соль лигносульфоновых кислот, ещё ПАЩ-пластификатор адипиновой щелочной, ЛСТ и т.д.

- II группа – гидрофобизирующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мельчайшие пузырьки воздуха. Эти добавки регулируют структуру и повышают стойкость бетона, обладая при этом пластифицирующим эффектом. К ним относятся СНВ, омыленный древесный пек (ЦНИИ ПС – 1), СДО – смола древесная омыленная, СПД из отходов нефтепереработки.

Пластификатор СДБ (ЛСТ) – широко используемый, повышает подвижность бетонной смеси, её однородность, текучесть, при перекачивании насосом, способствует сохранению удобоукладываемости смеси во времени, позволяет за счет уменьшения расхода воды сократить на 8–12% расход цемента, либо при неизменном расходе цемента понизить В/Ц отношение и несколько повысить R_б , его водонепроницаемость и морозостойкость. СДБ (ЛСТ) - несколько замедляют твердение бетона в раннем возрасте, поэтому при производстве сборного железобетона её применяют в сочетании с добавками - ускорителями твердения цемента, уменьшающий тепловыделение при твердении цемента в первые дни, что обеспечивает возведение массивных ж/б сооружений. СДБ воздействует в основном на цементное тесто, поэтому наиболее эффективно ее применение в бетонах с достаточно высоким расходом цемента.

Воздухововлекающие добавки используют главным образом для повышения морозостойкости бетонов и растворов. Эти добавки несколько понижают К_б , (1% вовлеченного воздуха снижает R бетона на сжатие на 3%). Обычно содержание вовлеченного воздуха составляет 4-5%. В этом случае R практически не снижается, т.к. отрицательное влияние вовлеченного воздуха нейтрализуется повышением R цементного камня вследствие уменьшения В/Ц за счет пластифицирующего эффекта добавки. Воздухововлекающие добавки наиболее эффективны в бетонах с малым расходом цемента.

К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относят также (ГКЖ-11 -метилсиликонат Na), этилсиликонат Na (ГКЖ-10).

Применяют их для увеличения стойкости бетонов и растворов в агрессивной среде, повышения долговечности, а также в качестве гидрофобизаторов поверхности.

В последнее время разрабатываются и внедряются новые химические добавки - суперпластификаторы, они в большей степени, чем пластификаторы увеличивают подвижность и текучесть, улучшают строительные технологические свойства бетона, могут обеспечить значительную экономию цемента. В большинстве суперпластификаторы - синтетические полимерные вещества, их вводят в бетонную смесь в количестве 0,1-1,2 % от массы цемента. Действие его ограничено (2-3 часа).

Ускорители твердения - CaCl₂ , Na₂SO₄ и др. Необходимо учитывать побочное действие этих добавок. Например, CaCl₂ – вызывает коррозию арматуры.

В качестве противоморозных добавок применяют – NaCl, CaCl₂ и др. Эти добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердению бетона при отрицательных температурах.

В качестве газообразующих добавок применяют алюминиевую пудру ПАК и ГКЖ-94. Химические добавки поставляются в виде водных растворов, порошков, эмульсий.

Для получения эффекта полифункционального действия применяют комплексные добавки, включающие несколько компонентов (СДБ+СНВ, ПАЩ+СПД), (СДБ+ГКЖ-94).

Вода. Для приготовления бетонной смеси можно использовать водопроводную воду, а также любую воду, имеющую рН не менее 4, вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л в пересчете на SO₄ и всех солей более 5000 мг/л. Можно применять морскую воду с ограниченным содержанием солей. Исключением является бетонирование внутренних конструкций жилых и общественных зданий и надводных ж/б сооружений в жарком и сухом климате, т.к. морские соли могут выступать на поверхность бетона и вызывать коррозию арматуры.

Бетонная смесь - смесь компонентов бетона до момента схватывания цемента и твердения называется бетонной смесью.

Структура бетонной смеси

Вследствие наличия внутренних сил взаимодействия между частицами твердой фазы и воды бетонная смесь приобретает связанность и определенные свойства, характерные для структурированных вязких жидкостей. По своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами.

Свойства бетонной смеси зависят от их структуры и свойств составляющих и обладают рядом особенностей, из которых существенное значение имеют: первое - способность смеси как бы псевдо разжижаться и становиться более подвижной под влиянием механических воздействий; второе – постоянное изменение свойств под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды вплоть до схватывания системы и превращения в твердое тело. Свойства бетонной смеси и её поведение в процессе приготовления, укладки, уплотнения определяется характером и значением сил действующих между частицами твердой фазы и жидкостью.

Взаимодействия между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды, а именно, только при добавлении к сухой смеси цемента и заполнителя воды эта смесь приобретает структуру и свойства, присущие бетонной смеси. Силы взаимодействия между твердыми частицами бетонной смеси имеют разную физическую природу и зависят как от размеров частиц, так и от объема жидкой фазы, её природы, наличия в ней ионов других веществ, величины поверхностного натяжения.

Зерна песка и щебня и пустоты между ними достаточно велики, удельная поверхность мала и поэтому действие поверхностных сил практически ничтожно. Смесь не имеет связанности, вода под действием гравитационных сил вытекает из пустот между зернами заполнителя. При приложении внешних сил в такой смеси появляются механические силы внутреннего трения.

С уменьшением размера частиц до 1…0,1 мм возникают капиллярные силы, смесь приобретает связанность. Капиллярные силы действуют при отсутствии лишнего количества воды в местах контакта твердых частиц. Действие сил поверхностного натяжения в образующихся водных мешках обеспечивает сцепление между частицами. Поры между частицами заполнены.

С уменьшением размера частиц до 0.1…2^.10^-4 мм начинают проявляться силы поверхностного взаимодействия - флокулационные. Вода во флокулах делается неподвижной объем пор значителен. Частицы коллоидных размеров 2 ^.10^-4….10^-6 взаимодействуют между собой через возникающую на их поверхности сольватную оболочку, состоящую из воды адсорбционно-связанного слоя на поверхности твердой фазы.

Флокуляция может быть уменьшена при увеличении толщины сольватной оболочки или частичной нейтрализации поверхностного заряда

(например, за счет увеличения содержания жидкости или применения специальных добавок), образующихся на поверхности коллоидных частиц полутвердые водные оболочки выполняют двойную функцию. С одной стороны, придают цементной суспензии связанность и известковую устойчивость. С другой стороны, эти оболочки обладают как бы смазочными свойствами, облегчая скольжение твердых частиц одна по другой, за счёт действия отталкивающих сил и образования ориентированными молекулами воды плоскостей скольжения по местам более слабых водородных связей.

Бетонная смесь содержит частицы разных размеров, и поэтому в ней проявляются различные силы. Однако на их эффективность влияют: характер структуры бетонной смеси и взаимодействие между частицами разного размера. Мельчайшие частицы, осаждаясь и прилипая к поверхности более крупных зерен, теряют подвижность, и для ее увеличения необходимо введение дополнительного количества Н₂О и мельчайших частиц. Увеличение количества Н₂О способствует повышенной подвижности, но уменьшает сцепление бетонной смеси.

Меняя структуру бетонной смеси, соотношение между частицами разного размера и содержание жидкой фазы получают заданную подвижность и связанность бетонной смеси.

Эффективными модификаторами структуры и свойств бетонной смеси являются химические добавки, в первую очередь пластификаторы и суперпластификаторы. Воздействуя на поверхностные явления и микроструктуру цементного теста, добавки позволяют управлять свойствами бетонной смеси и способствуют получению ее оптимальных структуры и свойств.

В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем можно выделить три основные структуры бетонной смеси:

1. смесь с плавающим заполнителем.

2. с плотной упаковкой заполнителей.

3. крупнопористая смесь с недостатком цементного теста.

В первой структуре зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют; они оказывают влияние лишь на прилегающую зону цементного теста.

Во второй структуре цементного теста меньше и оно лишь заполняет поры между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем обмазки, толщина которых в местах контакта зерен заполнителя равна 1…3 средним диаметром частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зерен заполнителя начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зернами заполнителя.

В третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только обмазывает зерна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зернами заполняет лишь частично.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов.

Для структуры первого типа решающее значение имеют свойства цемента; реологические свойства определяются в соответствии с зависимостями, характерными для вязких жидкостей.

В структуре второго типа возрастает роль заполнителя и трения между его зернами.

Особенно сильно влияет заполнитель на свойства структуры третьего типа, и реологические свойства в этом случае должны описываться с учетом сил внутреннего (сухого) трения.

Вследствие постепенного характера изменения структур бетонной смеси границы между структурами условно могут сдвигаться при изменении свойств цемента и заполнителя, подвижности бетонной смеси, методов формирования и др. факторов. Обычные бетонные смеси относятся ко второму типу структуры. Подобные структуры отличаются высокой эффективностью и позволяют получить не расслаиваемые бетонные смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента.

Примером смеси первого типа структур являются цементно-песчаная смесь с повышенным расходом вяжущего, применяется для изготовления армоцементных конструкций. Структуру третьего типа имеют беспесчаные бетонные смеси.

Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе её приготовления и укладки, в последующем до момента затвердевания может претерпевать изменения, вызываемые гидратацией цемента и осаждением твердых частиц под действием силы тяжести. Перераспределение частиц по объему бетонной смеси называют расслоением, седиментацией. При этом можно различать два процесса: в первом происходит осаждение крупных тяжелых зерен, в результате уплотняется смесь в нижней части формы, а лишняя вода отжимается наверх или скапливается под крупными зернами заполнителя, во втором - подобное явление происходит с цементными зернами с меньшей скоростью (вследствие их малой величины, причем оно развивается в порах между заполнителями).

При применении легких заполнителей может наблюдаться обратная картина: зерна заполнителя всплывают, раствор скапливается в нижней части формы. При этом, чем заметнее разница в плотности отдельных видов твердых зерен и жидкости, тем больше расслоение бетонной смеси.

Расслоение может возникать и в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси. Длительное вибрирование, вызывая разжижение смеси, (в подвижных смесях) будет способствовать ёе расслоению.

Большую склонность к расслоению имеют смеси первого типа структуры, меньшую - смеси, имеющие оптимальную структуру второго типа. Склонность к расслоению увеличивается с повышением расхода Н₂О и В/Ц (в очень подвижных смесях).