Прежде чем писать о добавках и для чего они используются, нужно иметь представление о том, какие процессы происходят при затворении сухих компонентов бетонной смеси водой.
Чуть-чуть углубимся в химию процесса твердения
Основным ингредиентом бетонной смеси, который взаимодействует с водой, является вяжущее вещество, например, наиболее распространённый, портландцемент или его разновидности. При этом происходит процесс гидратации цемента, при котором минералы портландцемента, особенно в начальный период твердения, активно взаимодействуют с водой. Следует учесть, что во время гидратации происходит тепловыделение. Этот момент как нельзя хорошо сказывается на твердении бетона, особенно при бетонировании в зимний период. Чем толще и массивнее конструкция, тем больше тепла выделяется. Однако это не всегда является только положительным моментом. Так, например, при бетонировании дамб, плотин или других массивных конструкций, необходимо предусмотреть не приток тепла, а наоборот, отвод тепла гидратации с конструкции с помощью сети труб, через которые проходит вода и отбирает излишнее тепло с бетона.
Что же происходит с бетонной смесью?
При затворении и твердении бетона образуется три состояния воды.
Первая – это химически связанная вода (вода, которая вступила в реакцию с минералами).
Вторая – это физически связанная вода (вода, которая находится на поверхности раздела фаз, удерживаемая межмолекулярными силами взаимодействия, и может участвовать в процессе гидратации).
Третья – это свободная вода.
Именно третье состояние воды в бетоне, при ее излишестве, негативно сказывается на физико-механических свойствах бетона. Но от нее никуда не деться. А нужно лишь искать технологические шаги, как минимизировать ее количество.
При изготовлении бетонных смесей воды затворения используется в 2-3 раза больше, нежели это необходимо для гидратации цемента. Эта излишняя вода, которая осталась в свободном состоянии в бетоне, т.е. не вступила в реакцию с цементом, после испарения образовывает поры. Как известно, в твердых веществах, чем больше пористость, тем меньше прочность.
В технологии бетона основное внимание уделяется возможности минимизировать количество воды затворения при сохранении подвижности бетонной смеси.
Зачем же мы сознательно вводим такое излишнее количество воды?
Ответ простой. Мы хотим, чтобы бетонная смесь была удобоукладываемая. Под удобоукладываемостью подразумевается способность бетонной смеси заполнять форму и уплотняться в ней под действием силы тяжести или под действием внешнего механического влияния. Зачастую, в практике строительства показатель удобоукладываемости бетонной смеси определяют осадкой конуса. Стандартный конус №1 используют для определения подвижности бетонных смесей с наибольшей крупностью заполнителя до 40 мм включительно. С помощью осадки конуса можно определить виды и показатели удобоукладываемости смесей:
- Малоподвижные смеси – подвижность 1–4 см (марка П1).
- Подвижные смеси – подвижность 4–12 см (марки П2-П3).
- Литые смеси – подвижность 12 см и более (марки П4-П5). Эти марки, наиболее востребованные в жилищном строительстве, особенно при использовании для укладки бетонной смеси бетононасосов. В свою очередь при бетонировании конструкций с помощью бадьи используют подвижные смеси марки П2-П3 или выше.
Поверхностно-активные вещества
Учитывая тот факт, что строителям нужна удобоукладываемая смесь, с которой легко работать, а это именно литая смесь, и при этом сохранить заданные проектом свойства, возникла необходимость в применении различного вида добавок, или, как их еще называют, поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Таким образом, регулирование свойств растворов и бетонов в широких пределах легко осуществить химическими методами, а именно модифицированием поверхности твердых частиц поверхностно активными веществами.
Так, наличие ПАВ изменяет удобоукладываемость и водосодержание бетонных смесей. Их различают:
- пластифицирующие;
- пластифицирующие-воздухововлекающие;
- воздухововлекающие;
- микрогазообразующие.
Широкого применения в технологии приготовления бетонных и железобетонных изделий нашли именно добавки пластификаторы и суперпластификаторы.
Добавки пластификаторы вводят в состав смесей в количестве 0,1-0,3% от массы цемента. Такие добавки повышают подвижность бетонной смеси за счет уменьшения сил трения между частицами высвобождением части воды и лучшим смачиванием поверхности частиц цемента.
Добавки суперпластификаторы – это высокоэффективные уменьшители вязкости цементных растворов на основе продуктов конденсации сульфонафталинов и меламинов з формальдегидом. Эти добавки в результате введения в бетонную смесь вместе с водой затворения резко повышают ее подвижность и улучшают качество бетона. Вводят их в состав бетонных смесей в количестве 0,1-1,2% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Следует учесть, что увеличение количества добавки суперпластификатора свыше 1,2 % экономически нецелесообразно, а также может приводить к замедлению твердения бетона в начальный период. Например, для добавки разжижителя-пластификатора С-3 оптимальной концентрацией является количество 0,8 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Содержание других добавок следует уточнять у производителей, или проверять экспериментальным путем в сертифицированных лабораториях.
Действие суперпластификаторов ограничено 2-3 часа с момента введения их в бетонную смесь. Необходимо сделать акцент на том факте, что такие добавки разжижают бетонную смесь значительно больше, нежели обычные пластификаторы.
Многие производители добавок для более эффективного их использования рекомендуют их вводить в смеси не в сухом виде, а растворенные в воде затворения.
Интересно отметить, что существуют такие вещества-пластификаторы природного происхождения. Например, щелочной экстракт дерева квебрахо, которое в основном растет в Аргентине.
Эффект увеличения подвижности смеси может быть использован для повышения механических характеристик бетона за счет уменьшения расхода воды. В свою очередь эффект увеличения прочности может быть использован для сокращения сроков тепловой обработки изделий в пропарочных камерах, например, на заводах по производству железобетона, или на сроках распалубки изделий. Вследствие использования суперпластификаторов может быть получена экономия цемента при условии сохранения постоянными подвижности смеси и класса бетона.
Интересно отметить тот факт, что при сохранении подвижности бетонной смеси применение суперпластификаторов позволяет уменьшить расход воды на 15-25%. А это, в свою очередь, приведет к значительному повышению механических характеристик бетона, в том числе, прочности при сжатии.
Пластифицирующие-воздухововлекающие добавки. Добавки этой группы вводят в состав бетонной смеси в количестве от 0,05 до 0,2 % от массы цемента. При введении их в состав бетонной смеси с водой затворения происходит вовлечение в бетонную смесь при ее перемешивании значительного количества воздуха, который, равномерно распределяясь в бетонной смеси, создает систему замкнутых воздушных пузырьков. При этом увеличивается объем цементного теста, что приводит к увеличению пластичности бетонной смеси. Как правило, добавки этой группы обладают гидрофобным свойством. К числу наиболее распространенных добавок этой группы относятся нафтеновые кислоты, синтетические жирные кислоты и их соли.
Воздухововлекающие добавки. К ним относятся, главным образом, натриевые мыла смоляных кислот, например абиетат натрия, получаемый омылением канифоли едким натром. Эти добавки при перемешивании бетонной смеси образуют пену, вовлекая воздух в смесь. При этом воздух играет роль смазки, которая повышает подвижность и пластичность смеси. Зачастую их вводят в смесь в количестве 0,005-0,02 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Микрогазообразователи. Вводят в количестве 0,04-0,1 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество или на 100 %-ю жидкость. В качестве таких добавок зачастую выступают, например, полигидросилоксаны или алюминиевая пудра. Эти добавки используют для получения газобетонов. Удобоукладываемость бетонной смеси за счет образования воздушных пузырьков повышается, а в затвердевшем бетоне образуются зарытые поры.
Добавки пластификаторы вводятся как в бетонные смеси, так и в растворные. Основным отличием бетонной смеси от растворной, является отсутствие в последней крупного заполнителя.