Виды воздухововлекающих добавок

 

Применяемые на практике воздухововлекающие добавки по химической природе можно классифицировать следующим образом:

1. соли, получаемые из древесной смолы;

2. синтетические моющие вещества;

3. соли лигносульфоновых кислот;

4. соли нефтяных кислот;

5. соли, получаемые из протеинов;

6. соли органических сульфокислот.

Наиболее широко используются вещества первой группы, известные под названием нейтрализованный винсол. Винсол – нерастворимый остаток процесса очистки и экстракции из него основного скипидара. Это смесь фенолов, кислот и других веществ. После нейтрализации едким натром становится водорастворимым и в таком виде поступает в продажу как воздухововлекающая добавка.

Вторая группа добавок – алкиларилсульфонаты. Обычно их алкильные группы представляют собой нефтяные остатки, конденсированные с бензолом и затем сульфированные и нейтрализованные для получения растворимых солей – чаще всего натровых. Алкильные группы содержат 12 атомов углерода.

Третью группу сравнительно редко используют в качестве воздухововлекающей добавки из-за не высокой воздухововлекающей способности. Получают как попутный продукт целлюлозно-бумажного производства.

Четвертая группа веществ – побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности, которые производят путем обработки серной кислотой нефтяных кислот с последующей нейтрализацией, как правило, едким натром. Если нейтрализацию осуществляют триэтаноламином, получают вещества седьмой группы.

Пятую группу веществ вырабатывают из отходов животного происхождения, переведенных в соли. Это сравнительно слабые воздухововлекающие агенты, поэтому используют их редко.

Шестую группу веществ получают из разных продуктов: отходов мыловарения и растительных масел. Обычно длина алкильных групп в таких ПАВ состоит из 12 – 20 атомов углерода. Кроме того, в эту группу входят и продукты переработки таллового масла, получаемого как полупродукт в целлюлозно-бумажной промышленности и состоящего частично из непредельных кислот и смол. Низкая стоимость веществ делает их перспективными для применения.

Воздухововлекающие добавки вводят вместе с водой затворения. Если кроме них предусмотрены и другие добавки, то предпочтительно их раздельное введение, поскольку в ряде случаев в результате реакции между ними снижается эффект воздухововлечения.

Долговечность большинства воздухововлекающих добавок не менее года; в процессе хранения они не меняют своих свойств, в том числе и при замораживании. Они не токсичны, поэтому не требуют специальных мер предосторожности, однако следует выполнять требования, предписанные производителями этих добавок.

Воздухововлекающие добавки можно применять при использовании бетонов не только на портландцементе, однако при работе со смешанным цементом следует вводить большие дозы таких добавок для обеспечения требуемого воздухововлечения.

Типичными представителями добавок этой группы являются:

СМОЛА НЕЙТРАЛИЗОВАННАЯ ВОЗДУХОВОВЛЕКАЮЩАЯ (СНВ), представляющая собой абиетиновую смолу, омыленную каустической содой– продукт лесохимической промышленности, вводится в состав бетона в количествах 0,005 – 0,05% от массы цемента. Поставляется в виде твердого продукта в деревянных или металлических емкостях (бочки- порошок) по 50 – 250 л), бумажных мешках (монолит-глыба). Производится Тихвинским Лесохимическим заводом (ТУ 13002870). Является одной из самых эффективных воздухововлекающих добавок для повышения морозостойкости бетона. Твердый продукт темно-коричневого цвета, медленно растворим в воде; малотоксичен; слабогорюч.

Области рационального применения: монолитный и сборный бетон, железобетон с высокими требованиями по морозостойкости и коррозионной стойкости. Легкие бетоны. Применение СНВ решает задачи получения бетонов высокой морозостойкости для конструкций жилых и административных зданий, гидротехнических, транспортных и промышленных сооружений.

Добавка СНВ в количестве до 0,1% от массы цемента в легких бетонах на пористых заполнителях сокращает расход цемента на 20 – 30%. При укладке таких бетонов отпадает необходимость применения пригруза при вибрации; СНВ при использовании в тяжелых бетонах марок 100 – 200 существенно улучшает удобоукладываемость бетонной смеси и позволяет экономить цемент. Одновременно повышается морозостойкость бетона; СНВ в малых дозировках применяется для повышения морозостойкости тяжелых бетонов марок 200 – 500 в ответственных сооружениях. СНВ вводится в бетонную смесь в виде заранее приготовленного раствора, концентрация раствора, как правило, не должна превышать 2 – 5%. При применении в составе комплексных модификаторов СНВ, во избежание коагуляции, следует вводить отдельно от других добавок. При повышенных дозировках наблюдается понижение прочности бетона. Транспортировка осуществляется любым видом транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов. Хранится в закрытых помещениях, исключающих увлажнение продукта.

СИНТЕТИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНАЯ ДОБАВКА (СПД) – водный раствор смеси натриевых солей высших жирных кислот. Производится Ангарским нефтеперерабатывающим комбинатом. Поставляется в железнодорожных цистернах в виде 40% водного раствора. Дозировка в бетон от 0,005% до 0,025% от массы цемента в пересчете на сухое вещество.

ОМЫЛЕННЫЙ ДРЕВЕСНЫЙ ПЕК (ЦНИИПС-1) – так же, как СНВ, является продуктом целлюлозно-бумажной промышленности и применяется в тех же дозировках. Производится Ветлужским Лесохимическим комбинатом в виде пастообразного продукта и поставляется в бумажных пакетах. Получают нейтрализацией жирных кислот древесного пека едким натром.

СМОЛА ДРЕВЕСНАЯ ОМЫЛЕННАЯ (СДО) – пастообразный продукт по химическому составу близкий к СНВ. Получают путем омыления древесной смолы щелочью. Поставляется в твердом виде в бумажных мешках, применяется в количествах 0,1 – 0,3% от массы цемента. В зависимости от требуемого объема вовлекаемого воздуха дозировка добавки может быть увеличена до 0,1 – 0,3%. При применении порошка или пастообразной добавки СДО вводят непосредственно в смеситель через дозатор, добавляют воду и перемешивают раствор. Для ускорения процесса растворения добавки применяют воду, прогретую до 50 ⁰С. При применении жидкой добавки поставляемой в металлической таре, ее насосом перекачивают в дозатор, затем сливают в смеситель. Через тот же дозатор подают воду и перемешивают раствор. При применении твердой, трудно растворимой добавки типа СДО, поставляемой в бумажных пакетах, укладывают на металлическую решетку бака для растворения твердых добавок, куда подают горячую воду и под давлением 2–3 атм. Пар и воздух. Процесс добавки продолжается 20 – 30 мин., после чего раствор повышенной концентрации насосом перекачивают в дозатор, затем сливают в смеситель. Через тот же дозатор в смеситель добавляют требуемое количество воды и перемешивают раствор. Остатки бумажных пакетов задерживаются решеткой – фильтром, установленной на пути выхода раствора из бака. Перемешивание раствора в смесителе продолжается от 10 до 30 мин. Подготовленный раствор перекачивается насосом в промежуточный бак. Оттуда через дозатор он поступает в бетоносмеситель. Концентрация рабочего раствора добавки должна быть в пределах 2 – 5% для возможности более точного дозирования. Объем рабочего раствора добавки определяется из условий обеспечения работы в течение смены или суток

Использование СДО в качестве воздухововлекающей и пластифицирующей добавки позволило:

– снизить на 50 – 250 кг/м³ плотность бетона;

- применять для приготовления легкого бетона заданной плотности крупный заполнитель повышенной плотности или обычный строительный песок (в место пористого);

- уменьшить расход пористых песков, снизить водопотребность смеси, улучшить деформационные и теплофизические свойства;

- при пониженном содержании мелкого заполнителя получить изделие со слитной однородной структурой, исключающей возможность коррозии арматуры и промочек под действием дождей;

- улучшить удобоукладываемость бетонной смеси, сократить продолжительность формирования изделий, обеспечить уплотнение смеси, уменьшить ее расслоение при транспортировке и укладке формы;

- улучшить тепло- и звукоизоляционные свойства бетона;

- повысить морозостойкость бетонных изделий.

СДО в настоящее время применяют более 500 предприятий строительной индустрии в крупных городах. Смола СДО вырабатывается в виде плава в бумажных мешках или в жидком виде (70 – 75%-ный раствор СДО). Рабочая концентрация применения – 10%-ный раствор СДО (плотность 1017 кг/м³). Поставляется в бочках по 250 кг и в канистрах по 6,25 кг. Рекомендуется к применению при производстве тротуарной плитки (брусчатки) методом вибролитья. На 100 кг цемента 60–80 гр.

МЫЛОНАФТ – натриевые соли нерастворимых в воде органических кислот (ГОСТ 13302–87 «Кислоты нефтяные») производится Краснодарским нефтеперерабатывающим комбинатом в виде пасты с содержанием сухого вещества не менее 70%, поставляется в деревянных или металлических бочках.

БИСИЛ ЦЕЛ – воздухововлекающая добавка, которая увеличивает содержание воздуха в бетоне, равномерно распределяя маленькие пузырьки воздуха в вяжущем веществе бетона. Производится испанским концерном «Доризо».

Кроме перечисленных выше наиболее распространенных видов воздухововлекающих добавок применяются различные синтетические поверхностно-активные вещества неионогенного или анионактивного типа.

В основе действия этого вида добавок лежит адсорбция органических молекул частицами цемента из водных растворов бетонных смесей. Растворные и бетонные смеси с воздухововлекающими добавками обладают повышенной водоудерживающей способностью и замедленной седиментацией, что свидетельствует об их стабилизирующем действии.

Действие воздухововлекающих добавок состоит в основном в насыщении растворных и бетонных смесей микропузырьками воздуха, облегчающими взаимное перемещение заполнителей и выполняющих роль смазки. Достигается это благодаря тому, что добавки вводятся в состав бетонной смеси в виде щелочных мыл или образуют в бетонной смеси мыла за счет нейтрализации гидроксидом кальция.

Воздухововлекающие добавки широко применяются для снижения средней плотности керамзитобетона в ограждающих конструкциях и для повышения морозостойкости тяжелого и легкого бетона.

Пузырьки воздуха, вовлеченные молекулами добавки в бетонную смесь, придают ей связность и повышают ее однородность. При вибрации благодаря уменьшению трения за счет вовлеченного воздуха связность смеси уменьшается, а удобоукладываемость повышается. Вследствие этого смесь с добавкой по удобоукладываемости соответствует смеси без добавки, имеющей на 1 – 6 см большую осадку конуса.

Объем вовлеченного воздуха зависит от типа и количества воздухововлекающей добавки, зернового состава заполнителей, расхода цемента и тонкости его помола, способа и продолжительности перемешивания. Практически воздух вовлекается растворной составляющей бетона и, прежде всего зернами песка размерами 0,3 – 1 мм. С уменьшением крупности песка объем вовлекаемого воздуха уменьшается.

Увеличение содержания воздуха в бетоне приводит к снижению его прочности. Однако при содержании вовлеченного воздуха не более 5% благодаря его пластифицирующему действию представляется снизить величину В/Ц и получить требуемую прочность бетона с сокращенным расходом цемента. Эффективность применения воздухововлекающих добавок для уменьшения расхода цемента повышается с увеличением В/Ц бетона, уменьшением расхода цемента и содержания трехкальциевого алюмината.

Воздухововлекающие добавки, введенные в бетон в количествах 0,02 – 0,03% от массы цемента практически не замедляют гидратацию цемента. Поэтому бетоны с ВВД могут пропариваться по тем же режимам, что и бетоны без добавок. В связи с этим воздухововлекающие добавки по сравнению с пластифицирующе-воздухововлекающими эффективнее применять при коротких и умеренных режимах прогрева.

Воздухововлекающие добавки повышают морозостойкость бетона не менее чем в 2 – 3 раза, несколько увеличивают прочность бетона при растяжении и повышают трещиностойкость конструкций. Применение воздухововлекающих добавок более эффективно в тощих бетонных смесях.

Используя воздухововлекающие добавки (ВЛХК, СНВ и др.) в тяжелых и легких бетонах, следует учитывать, что микропузырьки воздуха уменьшают вязкость цементного теста, повышают однородность и удобоукладываемость бетонных смесей, вследствие чего они приобретает более высокую подвижность, чем смеси без добавок.

Воздухововлечение в бетонные и растворные смеси в присутствии воздухововлекающих добавок, зависит от соотношения в них цемента и песка, его зернового состава; эффективность воздухововлечения снижается при изменении размера зерен песка против оптимального (около 0,5 мм) или при повышении расхода цемента в смесях. Количество удерживаемого в этих смесях воздуха увеличивается с ростом дисперсности эмульсии воздуха, достигаемой повышением содержания в них добавок.

При обычном перемешивании бетонной смеси (без ВВД) происходит два основных процесса: первый – захват порций воздуха, который затем диспергируется на отдельные воздушные пузырьки, и второй, в котором участвуют зерна заполнителя, характеризуемый стабилизацией пузырьком воздуха. Воздухововлекающая добавка, увеличивает количество воздушных пузырьков по сравнению с бетонной смесью без добавок, способствует уменьшению их размеров и, что более важно, сохраняет их в бетоне до начала схватывания. Стабилизирующее действие таких добавок обеспечивается адсорбцией их молекул на поверхности воздушных пузырьков. Молекулы ориентированы функциональными полярными группами в сторону воды, а неполярными – в сторону воздушных пузырьков. Последние, заряжаясь одноименно, отталкиваются друг от друга, что препятствует их слиянию. Таким образом, молекулы, ориентируясь на межфазных границах вода–пузырьки воздуха, создают слои толщиной в несколько молекул («частокол»), что также способствует стабилизации поризованной системы (согласно литературным данным, именно этот факт объясняет воздухововлекающее действие добавок ПАВ неионогенного типа). С другой стороны, адсорбируясь на границе раздела «воздух – жидкость», добавки, являясь ПАВ, уменьшают величину поверхностного натяжения, что сказывается на повышении термодинамической устойчивости воздушных пузырьков и снижает тенденцию к их слипанию. Кроме того, такое действие добавок облегчает диспергирование крупных воздушных включений, что обеспечивает большую сохранность поризованной структуры. Все это приводит к тому, что прочность пузырьков воздуха против механических воздействий возрастает. Другой путь стабилизации поризованных систем состоит в интенсивной адсорбции молекул ПАВ на частицах гидратных новообразований, которые заряжены положительно (из-за адсорбции кальций ионов). ВВД адсорбируются на этих заряженных частицах за счет сил электростатического воздействия, то есть отрицательно заряженными ионами анионактивных веществ, которые, как правило, отличаются эффективным воздухововлечением. В результате происходит гидрофобизация твердых частиц, которые фиксируются на воздушных пузырьках и «экранируют» их, препятствуя слиянию, то есть происходит «прилипание» пузырьков воздуха к частицам гидратированного цемента.

Традиционные воздухововлекающие добавки (СДО, СНВ и др.) являются недостаточно эффективными, чтобы обеспечить высокую степень поризации бетонной смеси. В последнее время в нашей стране и за рубежом разработаны новые «супервоздухововлекающие» добавки. Это, например, АОС-1214, ТЭАС, Морпен (Россия), относящиеся к классу поверхностно-активных веществ (ПАВ), пеноконцентрат фирмы «Неопор» (Германия), полученный на основе протеинов. Результаты измерений показали, что в отличие от добавки АОС-1214, ТЭАС, Морпен, пеноконцентрат фирмы «Неопор» практически не снижает величину поверхностного натяжения, в то время как отечественные добавки относятся к разряду «сильных» ПАВ. Среди них наиболее эффективной является ТЭАС, под действием которой величина поверхностного натяжения уменьшается при концентрации 0,25% до 35∙10³ Дж/м³. С другими изученными добавками близкое по значению поверхностное натяжение достигается при концентрации 0,5%.

Перечисленные выше добавки значительно отличаются по интенсивности воздухововлечения. Как видим, наиболее эффективной по степени поризации цементноводной смеси является добавка ТЭАС, она проявила себя и как наиболее «сильная» по уменьшению величин поверхностного натяжения. Дозировка этой добавки при получении поризованной цементной матрицы со средней плотностью 1000 кг/м³ в 7 раз меньше чем, например, дозировка добавки пеноконцентрата фирмы «Неопор», со средней плотностью 700 кг/м³ – в 4р.

Таким образом, экспериментально установлено, что при выборе воздухововлекающих добавок для поризации цементных систем необходимо оценивать их способность снижать величину поверхностного натяжения, так как это непосредственно связано с величиной их дозировки, и тем более, если учитывать высокую стоимость этих химических соединений.