Влияние добавок-водопонизителей на свежую бетонную смесь в пластической стадии

Добавки-водопонизители существенно влияют на реологические свойства свежей бетонной смеси: удобоукладываемость, прокачиваемость и другие характеристики пластической стадии (затирка, усадка и время загустевания). Эти изменения в основном вызваны химическим и физическим воздействием молекул органических добавок на поверхность гидратирующегося цемента.

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 флокуляция 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.

Флокуляция — 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. Такая полимолекулярная адсорбция играет роль стерического 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. Это объясняется адсорбцией на твердой фазе аниона добавки и взаимным отталкиванием одноименно заряженных частиц, что и приводит к диспергированию.

Отрицательный заряд поверхности цемента вызывает соответствующую ориентацию диполей молекул воды, что приводит к образованию гидратных оболочек вокруг частиц цемента и предотвращает их коалесценцию.

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.

В присутствии лигносульфоната уменьшается количество образующегося эттрингита, что само по себе приводит к снижению водопотребности. 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.

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. Подобная же гипотеза выдвинута для объяснения пластифицирующего эффекта содолигносульфонатной добавки, вводимой в клинкерные пасты.

Водопонижающее 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. В результате можно снизить количество воды затворения на 5—15 % в зависимости от таких факторов, как вид, дозировка и качество добавки; технология ее введения; водоцементное отношение и требуемый уровень удобообрабатываемости; вид и качество цемента; вид и содержание в цементе шлаков и зол; объем воздушной фазы.

Глюконат натрия — более эффективная водопонижающая добавка, чем глюкоза и лигносульфонат. Действие различных по качеству технических добавок-водопонизителей зависит от соотношения между входящими в них компонентами и их концентрации. Чем больше доза добавки, тем сильнее ее водопоиижающее действие (при содержании не более 0,1 % массы цемента).

Добавки - водопонизители наиболее эффективны в бетонных смесях из низкощелочных низкоалюминатных цементов. Роль качества цементов одного типа проявляется в том, что одинаковые добавки вызывают различное снижение водопотребности бетонной смеси из таких цементов.

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.

Существенное влияние на водопонижающую способность добавок оказывает различие в форме (округлая, неокруглая) и природе заполнителей.

Водопонизители способны эффективно понизить водопотребность и бетонных смесей, содержащих золу-унос: как вводимую в качестве добавки к вяжущему, так и заменяющую часть цемента. 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 водопотребность 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.

Удобообрабатываемость бетонной смеси улучшается, если водопонижающие добавки вводят в бетонную смесь с заданным количеством воды затворения.

Потеря подвижности бетонной смеси во времени. Поскольку большинство водопонижающих 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. 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.

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. 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 С3А).

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. Кроме того, проблему можно решить другими методами, включающими изменение количества сульфата, вводимого в цемент на заводе-изготовителе, изменение составляющих цемента, типа и (или) дозировки добавки либо снижение температуры бетонной смеси. Примеры добавок (водопонизителей-замедлителей), уменьшающих или полностью исключающих подобное явление, описаны в работах и относятся, главным образом, к случаям ложного схватывания цемента, ликвидируемого с помощью этих добавок.

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. Глюконат натрия увеличивает водоотделение, а лигносульфонат не изменяет его. Результаты опытов свидетельствуют о том, что необходимо принимать во внимание и качественные показатели добавок. Так, технические водопонизители на основе лигносульфонатов и глюкозы уменьшают водоотделение при постоянном значении осадки конуса, воздухововлекающие добавки обеспечивают еще более сильное снижение водоотделения, 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 гидроксикарбоновых кислот и их солей, наоборот, повышают водоотделение в свежей бетонной смеси. Анион-активные водопонизители при постоянном В/Ц уменьшают водоотделение бетонной и растворной смесей сильнее, чем воздухововлекающие добавки. Однако, еще недостаточно ясно, можно ли распространить этот вывод и на анионактивные гидроксилсодержащие вещества. В присутствии 0,1 % лигносульфоната кальция при постоянном В/Ц возрастает возможность расслоения цементного теста вследствие 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.

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. 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 водосодержания 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-пеногасители. Если воздухововлечение необходимо для повышения морозостойкости бетона, а водопонижающая 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.

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. В результате удается работать с более тощими бетонными смесями, т. е. снизить расход цемента.

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, водопонижающие добавки полезны и для смесей с уменьшенным содержанием цемента и воды при одинаковой с контрольными смесями осадке конуса. Так, 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.

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. 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 удобообрабатываемости в зависимости от водосодержания. Поэтому влажность заполнителей следует учитывать для поддержания на постоянном уровне водоцементного Отношения и удобообрабатываемости бетонной смеси, в частности, при использовании анализируемых добавок.

Отделочные операции. В присутствии замедлителей и (или) водопонизителей бетонная смесь может оставаться достаточно подвижной в течение нескольких часов после укладки.

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. 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.

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.

Сроки схватывания. Время до начала и конца схватывания цемента обычно удлиняют добавки-замедлители и замедлители-водопонизители. Однако в некоторых случаях наблюдается сокращение времени до начала схватывания; этот эффект удается предотвратить более поздним введением добавки. Как правило, цементное тесто характеризуется большими сроками схватывания (определено с помощью иглы Вика), чем бетонная смесь (определено по методу Проктора). Оптимальная доза добавки для замедления процессов загустевания 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.

При сравнении между собой метода пенетрации по Проктору с методом выдергивания стержня преимущество следует отдать первому как более удобному и обеспечивающему воспроизводимость результатов.

Увеличивая содержание добавок, удается удлинить период, в течение которого можно вибрировать бетонную смесь. Однако при повышении начальной температуры смеси увеличение количества добавки обеспечивает лишь сохранение этого периода, соответствующего периоду вибрирования контрольной смеси без добавки.

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. 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.

Технические добавки-водопонизители могут содержать некоторые компоненты, ускоряющие процессы гидратации цемента и ослабляющие действие основных водопонижающих составляющих добавки. В результате сроки схватывания цемента с такой добавкой с точностью до ±1 ч совпадают со сроками схватывания контрольных составов.

В водопонизителях — ускорителях схватывания и твердения содержатся компоненты, ускоряющие схватывание и твердение цемента. Это могут быть и свободные от хлоридов сложные добавки. 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. Эти же требования предъявляются к добавкам, применяемым при поверхностной обработке плит и при работе в холодное время года.

Теплота гидратации цемента. Водопонижающие добавки удлиняют время, через которое начинается интенсивное тепловыделение цемента.

Используя лигносульфонат кальция, ортогидроксибензойную 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. 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. Исключения составляют добавки, обладающие водопонижающим и ускоряющим гидратацию цемента действием. Снижение добавками начального тепловыделения полезно для решения с их помощью некоторых проблем трещинообразования в бетоне, в частности при повышенной температуре воздуха. С другой стороны, комбинации из водопонизителя и ускорителя, обеспечивающие более интенсивное тепловыделение цемента в ранние сроки, эффективны при их использовании в холодную погоду.

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 . При прочих равных условиях влияние состава и количества цемента на рост температуры более существенно, чем влияние добавок.