Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Строительные материалы и изделия: технология активированных бетонов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Добавки-электролиты

Из всего многообразия применяемых в технологии бетона химических добавок электролиты представляют особый интерес ввиду их специфических свойств и активного участия в электрохимическом процессе гидратации цементных минералов. Введение в состав бетонных смесей ничтожных доз добавок приводит к резкому изменению (ускорению или замедлению) хода структурообразования, что имеет важное практическое значение. Достаточно простым приемом можно либо сократить сроки твердения бетона, либо, наоборот, замедлить процессе, повысить жизнеспособность смеси.

В то же время и в данной области бетоноведения существуют определенные недоработки. Например, поташ (К2С03) способствует практически мгновенному загустеванию и ухудшению удобоукладываемости бетонной смеси. Согласно ГОСТ 24211—2008, этот продукт возглавляет группу добавок, ускоряющих схватывание бетонных смесей. А если это ускоритель схватывания, то почему же дальнейший процесс превращается в ленивое, вялотекущее отвердевание и ухудшение всех свойств бетона? Причем это ухудшение находится в прямой зависимости от количества введенной добавки. Не явилось ли причиной этого недоразумения «нецелевое» использование прибора Вика?

Считается, что все хлориды обладают интенсифицирующим действием на твердение цемента. Однако ниже представленные экспериментальные результаты показали, что из всех исследованных хлоридов (СаС12, KCl, NaCl) исключительно первому свойственны ускоряющие функции.

Сущность ускоряющего действия хлорида кальция даже сейчас [76] поясняется образованием комплексных малорастворимых соединений (хлорсиликатов, хлоралюминатов и т. п.), хотя еще в 60-х гг. прошлого столетия [77, 78] экспериментально показана ошибочность подобного взгляда. Сложно представить логику энергозатратного появления этих солей в свете практически мгновенного действия добавки.

Механизм конкретной добавки-электролита следует рассматривать с позиций внесения в цементную систему посторонних зарядов, влияющих определенным образом на электрохимический гидратационный процесс. Одним из критериев оценки действия добавки может служить продолжительность начального индукционного периода — интервала времени с момента затворения цемента водой до первого химического взаимодействия компонентов, что достаточно просто определяется термопластометрическим методом (рис. 4.18). При твердении бездобавоч- ной цементной системы указанный интервал составляет 90 ± 10 мин; сопоставляя последний с аналогичным показателем модифицированного цементного теста, можно количественно и качественно оценить действие конкретной добавки.

Хлористый кальций (СаС12)

Данная добавка как ускоритель твердения бетона известна давно. Еще в тридцатые годы прошлого столетия ее широко применяли в отечественной технологии тяжелого [79] и легкого [80] бетонов для сокращения сроков твердения. «Введение в состав вяжущего ускорителя твердения за последние годы было предметом исследований многих ученых как у нас, так и в Западной Европе и США. Последние работы... с достаточной полнотой выявили значение небольших добавок хлористого кальция и соляной кислоты при работах с тяжелым (холодным) бетоном» [80].

Таким образом, хлористый кальций — безоговорочный и общепризнанный ускоритель. Доводя стадийность структурообразующего процесса до 50 ± 5 мин (рис. 5.9, 5.10), данная добавка практически вдвое ускоряет набор прочности по сравнению с бездобавочным вяжущим материалом (см. рис. 3.1, а). Следовательно, эффективность и целесообразность практического применения этой добавки в технологии любых цементных бетонов не может вызывать сомнений.

Поташ (К2СОэ)

На рис. 5.11 представлены кинетические кривые пластической прочности, объемных деформаций и температуры твердения цементного теста с различным В/Ц и содержанием поташа. Введение даже незначительного количества добавки (0,2 %) вызывает лавинообразный рост пластической прочности теста. Снижение В/Ц и увеличение содержания добавки приводят к практически мгновенному приобретению предельной для пластоме- тра прочности. Температурная же кривая имеет горизонтальный вид (даже с тенденцией снижения температуры через 120—130 мин), что свидетельствует об отсутствии химического взаимодействия цементных минералов с водой. И действительно, цементное тесто с В/Ц = 0,23 и 0,26 и содержанием добавки, соответственно, 0,5 % и 2,0 % после приобретения максимальной прочности подвергли 5—7-минутной вибрации на лабораторной виброплощадке. Образцы под действием вибрации вначале растрескались, затем начала выделяться вода и после дополнительного перемешивания цементное тесто приобрело первоначальную консистенцию (см. на рис. 5.11 соответствующие пластограммы).

Кинетика пластической прочности и температуры твердения цементного теста

Рис. 5.9. Кинетика пластической прочности и температуры твердения цементного теста

с добавкой CaClj1

Кинетика пластической прочности и температуры растворной смеси (1:2) с добавкой СаС1

Рис. 5.10. Кинетика пластической прочности и температуры растворной смеси (1:2) с добавкой СаС12

1 Здесь, а также на рис. 5.10, 5.11 и 5.17 температуру навески изучали в теплоизолированном виде.

Отсюда можно заключить — наблюдаемое загустевание имеет не химическую, а электростатическую основу. Поташ оказывает сильное структурирующее действие на молекулы воды, способствует формированию молекулярных комплексов типа К+20)п. Своеобразная «кристаллизация», структурирование диполей подтверждается расширением цементной системы, причем особенно ярко это явление обнаруживается в составах с низким В/Ц и повышенным содержанием добавки. При вибрационном воздействии электростатические связи ослабляются, структурированная система разрушается, освободившиеся молекулы воды возвращают тесту исходные пластические свойства. Следовательно, считать эту добавку ускорителем схватывания нет никаких оснований. Поташ — достаточно яркий замедлитель, продукт, в значительной степени тормозящий гидратационные процессы. Начальный индукционный интервал достигает 230 минут, что вдвое замедляет отвердевание, по сравнению с обычным (бездобавочным) составом.

Кинетика пластической прочности, объемных деформаций и температуры цементного теста с добавкой КС0

Рис. 5.11. Кинетика пластической прочности, объемных деформаций и температуры цементного теста с добавкой К2С03

Сульфат натрия (Na2S04)

Сульфат натрия (рис. 5.12) не оказывает заметного влияния на качественный аспект стадийности структурообразующего процесса. В исследованном временном интервале химическое взаимодействие цементных минералов с водой (как и в бездобавочном составе) произошло через 90 и 180 мин с момента смешивания компонентов, о чем свидетельствуют температурные кривые. Повышение содержания добавки приводит к ускоряющему эффекту в количественном плане — более интенсивному набору пластической прочности и тепловыделению. Таким образом, сульфат натрия, не оказывая особого влияния на качественный аспект, определяет, тем не менее, количественное ускорение структурообразования системы.

Кинетика пластической прочности и температуры цементного теста с добавкой NaS0

Рис. 5.12. Кинетика пластической прочности и температуры цементного теста с добавкой Na2S04

Обсуждение экспериментальных данных

Выполненные исследования показали огромное влияние добавок- электролитов на электрохимический процесс взаимодействия клинкерных минералов с водой затворения. При этом каждая добавка накладывает свои индивидуальные особенности на кинетику твердения. Бесспорным ускоряющим действием обладает хлористый кальций, замедляющим — поташ (а также не приведенные в пособии, но исследованные хлориды калия и натрия), не оказывающим заметного действия на качественную сторону процесса — сульфат натрия.

Учитывая практически мгновенное действие добавок, логично предположить о влиянии на ход процесса изменения активности воды. Известно, что внесение заряженной частицы в кластер из молекул воды приводит к резкой перестройке его структуры. Эта перестройка связана либо с разрушением водородных связей, уменьшением вязкости воды и повышением активности диполей (отрицательная гидратация иона по О. Я. Самойлову), либо, наоборот, с образованием мощных структурированных водных систем, снижением их реакционной активности (положительная гидратация). Таким образом, изменяя свойства жидкой фазы, добавки-электролиты создают принципиально различные условия для гидратации и формирования структур цементного камня, оказывают огромное влияние на состояние жидкой фазы, не вступая при этом в химическое взаимодействие с основной матрицей.

Ярким представителем отрицательно гидратирующегося вещества является хлорид кальция. Диссоциированные в водной высокощелочной среде чрезвычайно сильные анион и катион добавки в комплексе с сольватами диполей формируют противоположно заряженные аквакомплексы (мицеллы), электростатическое взаимодействие которых способствует активному обмену молекул воды граничных слоев. Динамизм этого обмена разрушает водородные связи, разрыхляет полимоле- кулярную структуру воды, активирует диполи, обеспечивает интенсификацию поверхностных явлений в межфазной зоне «цемент — вода», значительно сокращает продолжительность индукционных интервалов.

Хлорид кальция, таким образом, представляет собой достаточно яркий ускоритель твердения бетонов. Однако в 60-е годы прошлого столетия было обнаружено агрессивное действие хлорид-ионов на арматуру, в связи с чем в настоящее время действует запрет на применение хлорида кальция в технологии железобетона (с диаметром арматуры менее 5 мм и предварительно напряженного). В то же время заметим, что в еще более ранних специально проведенных исследованиях был получен позитивный (с точки зрения сохранности арматуры) результат. «После тринадцатимесячного хранения в чрезвычайно неблагоприятной обстановке стержни все были совершенно чисты от ржавчины... По-видимому, опасения, что арматура будет ржаветь в бетоне с добавками хлористого кальция, неосновательны, и бояться ржавления не следует» [79].

В последние годы хлорид кальция вновь стал привлекать внимание исследователей, и на это есть веские причины. Ускоряющее действие добавки позволяет сократить сроки твердения, повысить оборачиваемость оборудования и бортовой оснастки, увеличить производительность технологического процесса. К тому же это доступный, недорогой, массово производимый продукт. Наконец, активация воды затворения обеспечивает более полные гидратационные преобразования, соответственно, получение структурно-стабильного и надежного цементного композита. Следовательно, уточнение условий безболезненного применения данной добавки имеет огромное практическое значение.

Положительной гидратацией обладают К2С03 и NaCl (КС1). Известно формирование кластеров (F-структур) типа К+20)п и Na+(H20)n, характеризующихся слоеным расположением окружающих диполей посредством водородных связей [49]. Сильно ориентированные полем ионов молекулы воды представляют собой относительно устойчивые ансамбли, близкие к кристаллическим структурам. Своеобразная «кристаллизация» воды снижает температуру ее замерзания, что и определяет практическое использование этих добавок в качестве противомо- розных реагентов. Образование прочных гидратных оболочек ионов уменьшает подвижность и активность молекул воды, значительно тормозит скорость электроповерхностных и структурообразующих явлений в цементно-водных композициях. Очевидный недостаток — «увод» значительной части воды из электрохимического гидратационного процесса, неполноценность процесса, образование в структуре овод- ненных микрообъемов, что негативно отражается на капиллярно-пористой структуре и конечной прочности бетона.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>