Свойства бетонных смесей и бетонов, модифицированных суперпластификаторами

 

Введение суперпластификатора С-3 в состав бетонных смесей существенно изменяет их свойства. Основными характеристиками, дающими представление о технологических свойствах бетонных смесей, являются подвижность, удобоукладываемость, сохраняемость, водопотребность, расслаиваемость и водоотделение.

Подвижность и водопотребность бетонных смесей. Во многих работах, посвященных применению СП в технологии бетона, говорится об их сильном разжижающем действии. Появившиеся впервые в мировой практике СП Melment (ФРГ) и Mighty (Япония) показали возможность разжижать бетонную смесь малоподвижной консистенции долитой с осадкой конуса 20 – 21 см при сохранении водоцементного отношения. Достигаемый эффект особенно проявляется в подвижных смесях, в которых объем воды в пространстве между частицами цемента сравнительно велик. В жестких смесях с низким В/Ц основной объем воды зафиксирован на поверхности частиц цемента и новообразований, поэтому высвобождение воды незначительно увеличивает объем дисперсной среды, следовательно, не полностью устраняются силы сцепления между частицами и нет заметного разжижающего эффекта. Это проявляется в меньшей эффективности действия СП в жестких смесях. Тем не менее и в этих условиях отмечается определенный эффект применения СП. Так, по данным японских специалистов, использование их в жестких смесях применительно к немедленно распалубливаемым блокам позволило снизить время виброуплотнения, расход воды на 5 – 20кг/м³ с соответствующим повышением прочности бетона.

Пластифицирующая способность СП, а также закономерность потери пластичности бетонной смеси с СП во времени существенно зависят от состава бетонной смеси и качества заполнителей. Эффект пластификации бетонных смесей возрастает с увеличением их исходной подвижности и повышением дозировки СП. Удобоукладываемость смеси, модифицированной СП, улучшается с повышением расхода цемента и воды, т.е. объема цементного теста в бетонной смеси. Это соответствует существующему мнению о том, что текучесть (подвижность) бетонной смеси находится в прямой зависимости от объема и текучести цементного теста.

Снижение водосодержания при введении разжижителя в количестве 0,2 – 1% по массе цемента линейно зависит от дозировки разжижителя. При 1% СП водопотребность в равноподвижных смесях может быть снижена в зависимости от расхода цемента на 25 – 30%.

При дозировках, превышающих 1%, такой характер зависимости водопотребности от количества СП, очевидно, изменяется, и максимальное снижение водоцементного отношения ненамного может превысить 30%. При дозировках СП, превышающих «порог эффективности» (т.е. в диапазоне 0,9 – 1,5%), вязкость цементного теста практически не изменяется.

Введение до 1,5% суперпластификатора в цементное тесто снижает его вязкость в 100 раз, дальнейшее повышение дозировки СП не приводит к снижению вязкости цементных систем.

Сокращение расхода воды приводит к повышению прочностных характеристик бетонов, а в некоторых случаях – к возможности получения высокопрочных бетонов.

Появляется возможность для увеличения подвижности смеси с некоторым сокращением водоцементного отношения, что оказывает благоприятное влияние на долговечность бетона.

Важным технологическим свойством бетонных смесей является длительность сохранения подвижности, достигнутой за счет применения суперпластификатора.

Вопрос потери подвижности литых бетонных смесей, изготовленных с СП, занимает важное место в технологии производства бетонных работ и при изготовлении сборных железобетонных конструкций.

Для пластифицированной бетонной смеси с О_к = 18 – 21 см, приготовленной из исходной смеси (без добавки) с О_к = 6 – 12 см, потеря подвижности линейно зависит от времени выдерживания. Через 50 – 60 мин подвижность, как правило, снижается до исходного уровня.

Кинетика изменения во времени реологических свойств литых бетонных смесей с СП та же, что и для обычных литых смесей.

Смеси одинаковой подвижности с СП на основе нафталинформальдегидных соединений загустевают быстрее, чем с СП на основе модифицированных лигносульфонатов и полиоксикарбоновых кислот. Потеря подвижности объясняется, в первую очередь, влиянием водоцементного отношения на гидратацию и начало структурообразования. С понижением В/Ц интенсифицируется гидратация, сокращается длительность пластичного состояния цементного теста и бетонной смеси.

Изменение температуры окружающей среды оказывает определенное влияние на кинетику структурообразования цементных систем, модифицированных СП; если при температуре 20°С введение С-3 вызывает задержку начала периода упрочнения структуры цементного теста, то при температурах 50^о и 70°С различия в кинетике роста пластической прочности незначительны. В то же время снижение температуры выдерживания цементного теста приводит к значительному увеличению индукционного периода структурообразования цементного теста.

При пониженном В/Ц структурообразование происходит с заполнением новообразованиями меньшего объема, чем при повышенных количествах воды в исходной цементно-водной системе, соответственно подвижность бетонной смеси при низких В/Ц падает быстрее, чем при высоких.

Регулируя величину водоцементного отношения, а также время введения СП, можно существенно влиять на кинетику структурообразования цементного камня. Так, сокращение воды затворения позволяет уменьшить период начала упрочнения структуры цементного теста, а введение СП после затворения цемента водой увеличивает индукционный период структурообразования и длительность пластификации таким образом, что это оказывается равноценным увеличению дозировки СП.

Сокращение индукционного периода цементного теста с СП при снижении В/Ц позволяет успешно проводить бетонные работы в условиях понижения положительных температур, а введение СП после затворения цемента водой, наоборот, позволяет удлинить «сохраняемость» бетонной смеси, что особенно важно при производстве бетонных работ в жаркое время года.

Порядок введения СП существенно влияет как на длительность сохранения подвижности смеси, так и на темпы набора прочности бетона в раннем возрасте. Предпочтительно введение СП в предварительно перемешанную бетонную смесь, так как при введении СП с водой затворения он адсорбируется, в основном, на поверхности С₃А и уменьшается его содержание в жидкой фазе, необходимое для последующей адсорбции на поверхности силикатных минералов. Если цемент предварительно смачивается водой в течение нескольких минут, часть гипса и С₃А успевает прогидратироваться и покрыть поверхность минерала слоем гидросульфоалюминатов. Поэтому при введении СП в предварительно перемешанную бетонную смесь значительно уменьшается количество С₃А и гипса, способных адсорбировать СП, и большее количество последнего высвобождается для пластификации бетонной смеси.

Для повышения величины и длительности пластификации СП следует вводить после предварительного (достаточно 2-минутного) перемешивания бетонной смеси. Такой способ позволяет получить значительную экономию СП по сравнению с введением его с водой затворения для получения смесей и бетонов с одинаковыми характеристиками.

Длительность действия СП повышается также при порционном его введении в бетонную смесь. Эффективность порционного введения СП для получения смесей высокоподвижной консистенции представляется возможным объяснить с позиции необходимости поддержания в жидкой фазе гидратирующегося цемента некоторого избыточного количества СП. Количество и интервалы введения СП зависят от вида цемента, состава бетона, величины его водоцементного отношения и в среднем составляют 10 – 20 мин. При этом достигается возможность сохранения высокой подвижности литого бетона при температуре воздуха 35°С. Однако многократное введение СП для восстановления подвижности может привести к ухудшению поровой структуры и снижению морозостойкости бетона.

Для повышения сохраняемости бетонной смеси в ряде случаев эффективно использование гранулированного нафталинформальдегидного СП, растворяющего с заданной скоростью в жидкой фазе смеси. Как показали исследования, введение гранул диаметром 2,5 – 5 мм в количестве 0,3% в бетон перед его укладкой позволило сохранять осадку конуса до 90мин на уровне подвижности бетонной смеси после пластификации (О_к = 18см), в то время как осадка конуса пластифицированного обычным методом состава снизилась до 10 см через 60 мин.

Эффективность действия СП в бетонных смесях возрастает с увеличением объема цементного теста и при замене гранитного щебня известняковым. Снижение водопотребности бетонной смеси находится в линейной зависимости от количества СП. Оптимальные дозировки СП определяют «порог эффективности» С-3, который для большинства составов бетонов не превышает 1%, и выше которого вязкость цементного теста и пластичности смеси изменяются незначительно.

Водоотделение и расслаиваемость. Основная задача, которую приходится решать при приготовлении высокоподвижных бетонных смесей – обеспечение нерасслаиваемости смесей как свойства, которое оказывает существенное влияние на технологию и организацию работ. Бетонная смесь является многокомпонентной системой, в которой, начиная с момента ее приготовления до схватывания цемента, обычно происходят процессы седиментации, обусловленные различной плотностью компонентов. В ходе этих процессов имеет место выжимание воды – водоотделение, величина которого зависит от степени седиментационного уплотнения, в свою очередь, определяемого размером ячеек в каркасе уплотненной структуры.

Бетонные смеси с СП по сравнению с равноподвижными не пластифицированными смесями характеризуются большей связностью и меньшим водоотделением. Это обусловливается меньшей водопотребностью пластифицированных смесей, которая зависит от дозировки разжижителя и расхода цемента. Тем не менее, в случае применения СП в высокоподвижных и литых бетонных смесях повышенное внимание должно уделяться подбору состава бетона. Причиной этого является возможная склонность таких смесей к расслоению, особенно, если применено избыточное уплотнение.

Долговечность бетонов, модифицированных суперпластификаторами. Применение СП в целях получения более прочных бетонов за счет снижения количества воды затворения, открывает возможности создания не только высокопрочных, но и более долговечных бетонов.

В процессе эксплуатации бетон может подвергаться различным видам воздействия окружающей среды, в основном – воздействию замораживания и оттаивания, повышенных напоров воды, а также химической агрессии.

В ряде работ отмечается значительное увеличение (особенно при снижении В/Ц) газо-, водонепроницаемости бетонов с СП, их морозостойкости и стойкости против солей – антиобледенителей, а также износостойкости.

Введение в бетонную смесь добавки С-3 позволяет обеспечить существенное повышение плотности и прочности бетона, но не обеспечивает существенного повышения его морозостойкости. Вместе с тем введение в состав бетонной смеси наряду с С-3 воздухововлекающей добавки резко повышает морозостойкость бетона – до 500 циклов попеременного замораживания и оттаивания и выше. Наиболее эффективными для обеспечения высокой прочности и морозостойкости является введение в бетонную смесь на шлакопортландцементе С-3 совместно с воздухововлекающей добавкой типа НЧК.

Известно, что основным фактором, определяющим водонепроницаемость бетона, является состав смеси, в частности водоцементное отношение и расход цемента. Возможность снижения В/Ц при введении СП в состав бетонной смеси позволяет сократить водоотделение и седиментационные процессы, уплотнить капиллярно-пористую структуру цементного камня и повысить водонепроницаемость бетона. При увеличении подвижности смеси и неизменном составе бетона его водонепроницаемость не увеличивается.

От структуры и проницаемости бетона зависит величина фильтрации воды в капиллярах и стойкость бетона.

Изучение процессов коррозии бетонов нормального твердения и пропаривания показало, что введение СП не уменьшает стойкости, а при снижении водоцементного отношения существенно ее повышает.

Влияние СП на морозостокость и водонепроницаемость заключается в изменении капиллярно-пористой структуры цементного камня в бетоне, которая, как известно, зависит от состава бетонной смеси, с уменьшением В/Ц она уплотняется, становится менее проницаемой, а при неизменном В/Ц практически не меняется. Поэтому при использовании разжижителя С-3 в качестве пластификатора, снижающего водо-потребность бетонной смеси, стойкость бетонов может значительно повышаться, а при введении СП в бетонные смеси без изменения состава смесей указанные свойства бетона практически не меняются.

СП не вызывают коррозии арматуры, так как в силу своей нейтральности они не снижают рН жидкой фазы бетона.