Стабильность кол­лоидных частиц обычно зависит от их заряда в результате адсорбции на них ионов. Если частицы имеют одноименные заряды, они взаимно отталки­ваются одна от другой, что предотвращает их слипание. Гидратированный цемент и осо­бенно гидросиликаты кальция находятся в виде частиц крайне малых размеров и в присутст­вии некоторых добавок диспер­гированы. Следовательно, к ним применим общий коллоидно-хи­мический подход.

В общем виде, если две фазы контактируют одна с другой, следует учитывать их электри­ческие заряды. Так, если они находятся в ионизированном состоянии или при этом при­сутствуют ионогенные группы, то проявляется тенденция к неоднородному распределению зарядов между ними. Скачок потенциала на границе между дисперсной фазой и дисперсион­ной средой может быть доста­точно велик.

Адсорбционный слой ионов наиболее плотный, диффуз­ный—более рыхлый. В резуль­тате образуется двойной элект­рический слой, причем раз­ность потенциалов между внеш­ним фиксированным слоем адсорбата и объемом дисперсион­ной среды можно охарактери­зовать величиной электрокинетического или

Стабильность коллоидных систем — функция

Силы притяжения, дейст­вующие между твердыми части­цами цементно-водной суспен­зии, могут привести и к их уплотнению. Такие добавки, как лигносульфонаты, сорбируясь на твердых частицах, приводят к их электростати­ческому отталкиванию и снижа­ют вязкость системы. Было доказано, что благодаря адсорбции таких анионактивных поверхностно-активных веществ, как продук­ты конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом, удается  нейтрализовать силы притяжения между частицами цемента.

                               
Рнс. 9. Зависимость дзета-потенциала                                         Рис.10. Зависимость дзета-потенци­ала

от концентрации СНФ в суспензии                                              суспензий алита и С3А от

цемента через 15 и 1200 мин контакта                                         кон­центрации суперпластификатора

цемента с жидкой фазой

Исследовано изменение

Аналогично обстоит дело и с £-потенциалом при введении суперпластификатора в суспен­зии С3А и алита (рис.10).

Большое отрицательное значе­ние

Удобообрабатываемость це­ментных паст зависит от време­ни введения суперпластифика­тора и обычно выше тогда, когда его добавляют через несколько минут после затворения цемента водой. Из рис.11 следует, что соответствен­но и

Рис. 4.11. Зависимость дзета-потенциала цементной суспензии от времени добавления суперпластификатора при введении добавки с водой затворения (1) и на более позднем этапе (2)

Полученные данные позво­ляют предположить, что эффект водопонижения в присутствии суперпластификатора связан с его диспергирующей способ­ностью, выраженной через

Предпринята попытка найти корреляционную связь между

Рис. 12. Зависимость дзета-потен­циала (1) и степени адсорбции (2) цементной суспензии от концентрации суперпластификатора

Гидратация цемента и микроструктура цементного камня

Степень гидратации цемента и его составляющих зависит от присутствия супер­пластификаторов. Изучение процессов гидратации позволи­ло понять, как эти добавки влияют на сроки схватывания цемента и удобообрабатываемость цементных паст.

Большинство работ посвя­щено исследованию влияния суперпластификаторов на про­цессы гидратации С3А и С3А + гипс. Эти данные противоре­чивы, поскольку влияние су­перпластификаторов зависит от их дозировки, водотвердого отношения и соотношения С3А : гипс, температуры и мо­лекулярной массы добавки. Су­ществует единое мнение отно­сительно того, что СНФ и СМФ замедляют гидратацию С3А.

Рис.13. Термокинетические кривые для С3А, гидратирующегося без до­бавки и в присутствии 2 % СМФ

На рис.13 показаны кинетические кривые кондуктометрической кало­риметрии С3А, гидратировавшегося как в присутствии 2% СМФ, так и без добавки.

Обращает на себя внимание кинетика гидратации смеси С3А + гипс в присутствии су­перпластификаторов. По этому вопросу высказывались различ­ные соображения: добавки ус­коряют, замедляют и не влияют на процессы гидратации. Поскольку соотношения ком­понентов в исходных смесях и их свойства различных как неодинаковы и методы иссле­дования, нельзя провести срав­нение этих данных.

Рис. 14. Термокинетические кривые для                    Рис. 15. Термокинетические кривые для C3S,

системы С3А+гипс+Н2О, гидратирующейся             гидратирующегося при раз­ной дозировке

при разной дозировке СМФ, %                                   СМФ, %

Рис.16.Термокинетические кривые для цемента, гидратирующегося при разной дозировке СМФ, %

Однако установлено, что в целом суперпластификаторы замедляют превращение эттрингита в моносульфоалюми-нат кальция (рис. 14). Это можно объяснить адсорбцией добавки на продуктах гидра­тации С3А.

Как видно из анализа рис. 15, введение СМФ в разных дозах приводит к замедлению процессов гидратации C3S, при­чем с ростом концентрации добавки до 4% усиливается и ее тормозящее гидратацию действие. Ясно также, что изме­няется и соотношение между СаО и SiО2 в C-S-H: оно возрастает с 1,19 до 1,21.

В связи с адсорбцией части суперпластификатора на про­дуктах гидратации С3А его замедляющее действие на C3S в цементе хотя и сохраняется, но оно не так велико, как при изучении чистого алита. Образование эттрингита может ускорить или замедлить процесс гидратации C3S в зависимости от содержания сульфатов ще­лочных металлов в цементе. Изменяется также соот­ношение между СаО и SiO2 в C-S-H. Замедление гидратации C3S в цементе в присутствии разных доз СМФ видно из дан­ных рис. 16: пик на калори­метрических кривых через 5 ч уменьшается с увеличением содержания добавки.

Изучено влияние содержа­ния гипса на гидратацию цемен­та без добавок и в присут­ствии суперпластификатора. Цель работы послужило — объяснить поте­рю подвижности смеси. Уста­новлено, что при 25 °С опти­мальное содержание SO3 в це­менте на 1 % больше, чем в составах без добавки. По-види­мому,   замедляющее  действие суперпластификаторов зависит от вида катиона в составе добавки. Так, время, необходи­мое для достижения максимума на кривых тепловыделения цемента типа I с добавкой СНФ с катионами NH4, Со, Мn, Li и Na, составило соот­ветственно 12,75; 11,5; 10,5; 10,25 и 9,25 ч. Точные сведения, позволяющие объяснить меха­низм процессов, приводящих к этим результатам, пока отсутству­ют. Данных о микрострук­туре цементного камня с су­перпластификаторами немного. При электронно-микроскопи­ческом исследовании системы С3А—CaSО4-2H2О в присутствии 1% СНФ и без до­бавки (контроль) установлено, что в контрольных пробах через 30 мин образуются сгруппиро­ванные в пакеты удлиненные кристаллы эттрингита; СНФ способствует формированию бо­лее тонких игл эттрингита.

Указанные различия в мор­фологии кристаллов можно связать с потерей подвижности смеси. Обнаружено раз­личие в морфологии эттрингита и через 1 ч после введения суперпластификаторов по сравнению с контролем.

Электронно-микроскопичес­кие наблюдения за кинетикой гидратации C3S (В/Ц = 0) без добавки и с СМФ показали, что и после 6 мес отмечались различия в морфологии гидро­силикатов: введение СМФ спо­собствовало получению более компактных, менее пористых структур.

Хотя при гидратации це­ментных  паст   в  присутствии суперпластификаторов не об­наружено существенных разли­чий между их морфологией и морфологией цементного камня в таких же системах без до­бавок, тем не менее введение суперпластификаторов приво­дит к формированию более дисперсных структур из гидратных фаз.

Оценка качества доба­вок

Оценка качества доба­вок — важная задача в теоре­тическом и практическом плане, так как иногда отсутствие по­добных сведений может привес­ти к негативным последствиям. Методы анализа требуют экс­трагирования добавки, что не всегда возможно. Поэтому предлагается анализировать качество добавок типа СНФ, СМФ и МЛС путем их экстрак­ции 10%-ным раствором Na2СО3. После фильтрации и центрифугирования пробу раст­вора анализируют с помощью спектрофотометра в ультрафио­летовой области спектра. Иден­тификацию МЛС, СМФ и СНФ проводят на основе длины волн соответственно 340, 220 и 250 нм.

Качество лигносульфонатов можно также определять путем их экстракции раствором NaOH и измерением спектров погло­щения при длине волны 520 нм.

БЕТОННАЯ СМЕСЬ

Удобообрабатываемость измеряют по расплыву конуса (в том числе модифи­цированному) и фактору ком­пактности. Эти методы неудов­летворительны при использова­нии  литых  бетонных  смесей.

В стандарте DIN 1048 литая бетонная смесь определяется как смесь, которая растекается на 510 мм в диаметре; соглас­но стандарту BSS 1881, такая смесь должна иметь осадку конус а выше 185 мм. Более распространен метод осадки ко­нуса, хотя его предельное зна­чение лежит в области 225 — 250 мм. Этот полустатический метод не позволяет охаракте­ризовать поведение бетонной смеси в динамических условиях.

Также предложен миниатюрный прибор для определения осад­ки конуса, что позволяет рабо­тать с малым количеством ма­териала. В этом случае ис­пользуют конус с нижним диа­метром 38 и верхним—19 мм при высоте 57 мм; соотношения размеров в конусе пропорцио­нальны тем, которые предусмот­рены в ASTM 143. Предложенный метод по­зволяет оценить относитель­ную удобоукладываемость це­ментного теста (пасты) и раст­ворной смеси и пригоден при изучении действия суперпласти­фикаторов на цементы разного типа. Влияние суперпластифи­каторов на увеличение осадки конуса зависит от их типа, дозировки и времени введения, В/Ц, содержания цемента и заполнителей, температуры и т. д.

 Рис. 17. Зависимость осадки конуса (О/С) бетонной смеси от дозировки суперпластификатора при начальной осадке конуса 80 мм (1) и 120 мм (2)

Химическая природа доба­вок отражается на их эффек­тивности через изменение вели­чины осадки конуса. Например, для получения смеси с осадкой конуса 260 мм (против 50 мм в смеси без добавок) следует ввести 0,6% СМФ и только 0,4% СНФ. В целом можно констатировать, что суперплас­тификаторы вводят в больших дозах, чем принято при исполь­зовании обычных водопонижающих добавок.

Дозировка суперпластифи­каторов, требуемая для полу­чения заданной осадки ко­нуса, зависит от исходной осадки: чем она ниже, тем больше следует ввести добавки, однако при больших дозиров­ках эта разница уменьшается (рис.17). Таким обра­зом, суперпластификаторы поз­воляют в широком диапазоне изменять удобообрабатываемость бетонной смеси, остав­ляя почти неизменным исход­ное значение водоцементного отношения.

Рис. 18. Зависимость осадки конуса (О/С) бетонной смеси от времени вве­дения суперпластификатора при ма­лой (1), средней (2) и большой (3) дозировке добавки

Время введения суперплас­тификаторов также влияет на значение осадки конуса. Хотя они эффективны и при введении с водой затворения, лучшие результаты получают при до­бавлении суперпластификато­ров через несколько минут пос­ле смешения цемента с водой. Однако введение добавок в период от 5 до 50 мин после затворения цемента водой приводит к уменьшению осадки конуса (рис. 18).

Различия в действии супер­пластификаторов проявляются при использовании цементов разных типов. Например, при добавлении 1,5% СМФ к бетон­ным смесям на цементах типа I, II и V с исходной осадкой конуса 76 мм она возрастает до 222, 216 и 229 мм соответ­ственно. Важно поэтому проводить предварительные ис­пытания, особенно если предпо­лагается применять цемент но­вого типа.

Величина осадки конуса зависит также от содержания цемента в смеси. Так, при ис­пользовании СМФ осадка кону­са при расходе цемента 237, 326 и 415 кг на 1 м3 составляла соответственно 203, 222 и 254 мм. Следует отметить, что и в отсутствие добавок осадка конуса росла с увеличением содержания цемента в смеси. В интервале температур от 5 до 30 °С не наблюдалось заметного изменения эффектив­ности   суперпластификаторов.

Водопонижающее дей­ствие. Так как суперпластифи­каторы позволяют снизить водопотребность смеси на 15 — 30% без изменения ее удобообрабатываемости по сравне­нию с эталоном, то в результате бетон характеризуется высоки­ми прочностью и непроница­емостью.

Водопонижающее действие суперпластификаторов зависит от их дозировки и исходной осадки конуса (табл.1). Очевидно, нет необходимости снижать водопотребность сверх той, которую обеспечивает вве­дение добавки. Хотя суперплас­тификаторы способствуют сни­жению водопотребности цемен­та всех типов, степень этого снижения неодинакова.

Таблица1. Водопонижающее действие добавки нафталинформальдегидного    типа

Приготовление бетон­ной смеси

Для бетонной смеси с осадкой конуса от 20 до 180 мм используют нормальную смесь, аналогичную предусмотренной в стандарте ACI 211.1, или с небольшими отклонениями от нее. Существенно, что с целью повышения величины осадки ко­нуса в ней увеличивают объем песка. Ассоциация цемента и бетона Великобритании реко­мендует следующие два принци­па для приготовления смеси.

1. Для получения по тради­ционной технологии смеси ли­той консистенции из смеси с исходной осадкой конуса 75 мм (без пористых заполнителей) необходимо добавить кроме суперпластификатора 4—5% песка.

2. Если максимальный раз­мер зерен заполнителей 38 мм, то суммарное количество це­мента и пылеватых (мелких) фракций песка размером менее 300 мкм должно быть не ниже 400 кг на 1 м3. Если максималь­ный размер частиц заполнителя 20 мм, то требуется 450 кг на 1 м3 смеси цемент + пылеватые фракции песка. При со­держании цемента 270 кг на 1 м3 и более в бетонную смесь вводят 24—30% песка фракции 0—18 мм, менее 270 кг на 1 м3— 35% песка, проходя­щего через сито 1,18 мм. Если не обеспечить оптимального содер­жания песка, то может произой­ти расслоение и отделение сме­си.

Потеря подвижности

Быстрое уменьшение удобообрабатываемости смеси через 30—60 мин после затворения есть потеря подвижности, кото­рая зависит от начального зна­чения осадки конуса, типа и количества введенного супер­пластификатора, вида и содер­жания цемента, времени введе­ния добавки, влажности, тем­пературы, принятой технологии приготовления смеси и наличия других добавок. Например, при введении 0,6% СМФ, СНФ и МЛС потеря подвижности сме­си была наибольшей при ис­пользовании СМФ. Из данных табл.2 видно влияние температуры на этот показа­тель.

Таблица 2. Влияние температуры на снижение подвижности бетонной смеси с добавкой СНФ

Химико-минералогический состав цемента также влияет на темп снижения подвижности смеси, но механизм этого про­цесса в зависимости от сос­тава цемента изучен недоста­точно. Известно, что в этот период С3А реагирует с гипсом, поэтому возможно, что к важ­ным факторам, во многом опре­деляющим потерю подвижности смеси, следует отнести как усло­вия протекания реакции, так и характер образующихся крис­таллических продуктов. Введе­ние суперпластификаторов усиливает протекание этой реакции. Реакция между С3А и гипсом ускоряется также с ростом содержания щелочей в цементе. На потерю подвижности смеси большее влияние оказывает коагуляция частиц, чем обра­зование химических связей между ними.

Предпринято много попыток стабилизировать подвижность бетонной смеси в присутствии суперпластификаторов. Этого можно достичь, вводя большие, чем обычно, дозы добавок. Дру­гой прием — введение супер­пластификаторов, в том числе повторное, через разные промежутки времени после затво­рения цемента водой. Об этом свидетельствуют данные, приве­денные на рис.19 для добавки СМФ; аналогичные ре­зультаты получены также для СНФ.

Повторное введение супер­пластификаторов при водит к увеличению их адсорбции и

Рис 19. Влияние повторного введе­ния СМФ в бетонную смесь на осад­ку конуса: /, //, /// — соответственно первичное, вторичное и третичное введение добавки

Потеря подвижности затормаживается также при введении в состав суперпластификатора замедли­теля схватывания цемента; на рис.20 показано влияние глюконата натрия на кинетику изменения осадки конуса смеси в присутствии СМФ.

Рис. 4.20. Влияние глюконата натрия и его смеси с СМФ на кинетику сни­жения осадки конуса. 1—0,05%   глюконата   натрия;   2 — то же+СМФ;  3 — 0.1 %   глюконата   натрия;  4 — то же+СМФ

Содержание цемента в смеси также влияет на темп потери ее подвижности: с увеличением его расхода эти процессы за­медляются.

Расслоение и водоотделение

Расслоением (сегрега­цией) называется разделение компонентов смеси из-за разли­чия их размеров и плотности.

Водоотделение — частный случай сегрегации, при котором вода выделяется на поверх­ности бетонной смеси. Посколь­ку в принципе водоотделение уменьшается с понижением водо-цементного отношения, су­перпластификаторы, если их ис­пользуют для снижения В/Ц, не вызывают ни расслоения, ни водоотделения. Это подт­верждено в опытах на бетонных смесях с цементом типа I, II и V. При получении литых бетонных смесей с помощью суперпластификаторов возмож­ны оба указанных процесса, если не предприняты соответ­ствующие меры. С целью пре­дотвращения расслоения и во­доотделения необходимо по­высить содержание в смеси пес­ка и цемента. Так, согласно нормам Канадской ассоциации стандартов (А266.5М 1981), в традиционных смесях литой консистенции с заполнителями максимальной крупности 40, 20 и 14 мм рекомендуется ми­нимальное количество смеси це­мента и тонких фракций песка (проходящих через сито 300 мкм) соответственно 400, 450 и 500 кг на 1 м3.

Содержание воздуха

Суперпластификаторы на осно­ве нафталинсульфокислоты, а также лигносульфонатов вов­лекают некоторое количество воздуха.

В подвижных бетонных сме­сях суперпластификаторы спо­собствуют удалению воздуха. В типичных смесях остается 1—3% воздуха. Повторное введение суперпластификатора инициирует удаление воздуха. При В/Ц = 0,42 в смеси с СНФ исходное содержание воздуха 4,9% снижается после перво­го, второго и третьего введе­ния добавки соответственно до 3,8; 1,7 и 1,5%. В то же время в присутствии лигносульфоната содержание воздуха в смеси может существенно воз­расти.

Суперпластификаторы спо­собствуют также коалесценции пузырьков воздуха.

Сроки схватывания. В принципе суперпластифика­торы замедляют сроки схваты­вания цемента. Количество до­бавки и ее состав определяют степень замедляющего дейст­вия. Как видно из рис.21, на котором представлены ре­зультаты исследования кинети­ки изменения показателя пенетрации проб с добавками трех типов, все они, кроме СМФ, слабо ускоряющей про­цессы схватывания, относятся к замедлителям. Сроки схваты­вания можно ускорить или замедлить, комбинируя супер­пластификаторы с другими до­бавками (рис. 22).

Совместимость с дру­гими добавками

Суперпласти­фикаторы совмещаются с за­медлителями, ускорителями схватывания и воздухововлекающими добавками. В некоторых случаях при этом наблюда­ется синергетический эффект. Следует, однако, для практи­ческого использования экспе­риментально подобрать соот­ветствующие составы. При этом не всегда легко подобрать та­кую комбинацию суперпласти­фикатора с воздухововлекающей добавкой, которая обеспе­чила бы соответствующее рас­пределение пузырьков и рас­стояние между ними в бетоне.

Установлена также совмес­тимость составов, содержащих суперпластификаторы, с раз­ными партиями золы-уноса

ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА

Основные направления использования суперпластифи­каторов в бетоне. Возможны три пути использования супер­пластификаторов   в   бетонах.

1. Для приготовления бе­тона с очень низким водоцементным отношением и высо­копрочного. В этом случае с помощью добавок существенно, до 30%, снижают водоцементное отношение при сохранении такого же, что и без добавки, расхода цемента. Должная удобообрабатываемость смеси обеспечивается введением  су­перпластификаторов: при этом В/Ц может быть снижено до 0,28. Это направление наиболее распространено в Японии.

2. Для приготовления бето­на с пониженным расходом це­мента при неизменном (по срав­нению с составами без доба­вок) водоцементном отноше­нии. Это направление характер­но для США; оно обеспечива­ет, за счет экономии цемента снижение энергозатрат на при­готовление бетона.

3. Для приготовления лито­го бетона. Суперпластифика­торы обеспечивают при этом получение саморастекающихся, самонивелирующихся бетон­ных смесей. В подобных слу­чаях не предпринимают ничего для уменьшения В/Ц или рас­хода цемента. Как уже отме­чалось, задача состоит в том, чтобы исключить расслоение смеси. Такие смеси удобны при укладке в густоармированные железобетонные   конструкции.

Прочностные свойства. Прочность при сжатии литого бетона с суперпластификатора­ми к 28 сут равна или больше, чем контрольного бетона без добавки (по данным испытания образцов-цилиндров). Это справедливо для бетонов, не требующих уплотнения путем вибрации, что позволяет эко­номить время и средства. Однако, несмотря на отмечен­ное, часто необходимо приме­нять вибрирование смеси при укладке, чтобы обеспечить ее хорошее сцепление с арматурой.

 Рис.23. Снижение водопотребности в зависимости От дозировки суперпластифи­катора

Как уже отмечалось, супер­пластификаторы позволяют снизить   водопотребность   до 30% (см. рис.23). Соответственно значительно возрастают прочность при сжа­тии и растяжении, в том числе ранняя прочность, а также мо­дуль упругости бетона, что особенно существенно для промышленности сборного же­лезобетона, когда важно по­высить оборачиваемость форм. На рис.24 и в табл. 4 пока­зано, какой эффект получают при использовании суперплас­тификатора (меламинформальдегидного типа) как при изго­товлении литого бетона, так и в качестве водопонизителя при введении этой добавки в бетон­ные смеси на цементах трех типов.

Усадка и ползучесть. Усадка бетона с суперпласти­фикаторами такая же или мень­ше, чем бетона без добавки, хотя наблюдаются и исключе­ния из этой закономерности. В целом усадка бетонных призм с суперпластификаторами заметно меньше усадки бетона, требуемой по стандарту ASTM С494. Значение усадки ли­того бетона сопоставимо с усад­кой традиционного бетона (см. рис. 25). Данные о соотно­шении между изменением влаж­ности и усадочными дефор­мациями бетона с суперпласти­фикаторами на цементах раз­ных типов представлены на рис.26 добавки вводили с целью понижения водопотребности). Как видно, при одном и том же значении снижения влажности суперпластификаторы приводят к большей усад­ке бетона, что можно объяснить их диспергирующим действием на цемент и на гидратные новообразования.

Опубликовано несколько результатов исследований пол­зучести бетонов с суперпласти­фикаторами. Однако различия во влажности, в составе бето­нов и величине нагружения де­лают затруднительным прямое сравнение. В целом можно сде­лать общий вывод (табл.4), что суперпластификаторы прак­тически не влияют на ползу­честь бетона, однако наблюда­ются и отклонения от этой закономерности.

Рис. 24.Нарастание прочности при сжа­тии «литого бетона» на высокопрочном цементе по сравнению с прочностью бе­тона на обычном цементе с расходом 400 кг/м3 и осадкой конуса смеси от 25 до 100 мм без добавки и с добавкой СМФ (на рисунке даны дозы СМФ, %)

Рис. 4.25. Усадочные деформации бето­на в призмах (белые столбики) и в стене (черные столбики) для бетона из смеси традиционной консистенции (I) и из литой бетонной смеси (II). Условия испытаний — 91 сут при тем­пературе 20,8 °С и относительной влаж­ности 67,4 %

Высокопрочный облег­ченный бетон. С помощью су­перпластификаторов удается получить облегченный бетон прочностью через 1 и 3 сут., равной соответственно 30 и 40 МПа. Проведено исследо­вание с крупными фракциями легкого заполнителя, дроблен­ного до размера 19 мм; запол­нитель получен путем вспучи­вания глины во вращающейся печи. Насыпная масса 740 кг/м3,  плотность заполнителя 1,6.

Плотность тонкой фракции песка 2,7, плотность бетона от 1835 до 1961 кг/м3. В табл. 5 представлены механические характеристики бетона с суперпластификаторами и воздухововлекающими добавками при различном расходе  цемента.

Рис.26. Зависимость усадки от поте­ри влаги бетоном при использовании цементов типа I, II и V без добавок (1) и с добавками СМФ (2), СНФ (3) и МЛС (4)

Влияние повторного введения суперпластификато­ров. В связи с необходимостью сохранения в течение несколь­ких часов подвижности бетон­ной смеси проведены исследо­вания, показавшие, что эту за­дачу удается решить путем повторного введения такого же количества суперпластифика­тора, какое вводили с водой затворения. Сказанное подт­верждает рис. 27. Проч­ность бетона возросла в той ме­ре, в какой уменьшилось воздухововлечение. Подобная зада­ча особенно актуальна для ра­бот в районах с жарким кли­матом, когда снижение осадки конуса смеси может произойти во время ее транспортирования.

Рис. 27. Влияние повторного введе­ния СНФ на прочность бетона при сжатии (а), содержание воздуха (б) и усадочные деформации бетона (в) (В/Ц=0,42, цемент типа 1, максималь­ный размер крупного заполнителя 19 мм, песок — натуральный, воздухововлекающий агент — сульфированный углеводород)

Введение суперпласти­фикаторов в бетоны с золой-уносом. Выполненные исследо­вания отвечали на следующие основные вопросы: а) можно ли при введении суперпластифика­тора получить бетоны с высокой прочностью, заменяя значи­тельную часть цемента золой-уносом; 6) можно ли рассчиты­вать на повышение прочности такого бетона при уменьшении содержания воды на 20%. При этом снижение подвижности смеси должно быть компенси­ровано путем введения супер­пластификатора.

Для исследований выбраны составы, в которых отношение вода: (цемент+зола уноса) =  0,28, отношение цемент:зола (кг на 1 м3) составляло 390 : 230, суперпластификатор введен в большей, чем обычно, дозировке. Как видно из табл. 6 и рис. 28, в 28-суточном возрасте образцы-цилиндры размером 152х305 мм имели прочность при сжатии от 51 до 53,8 МПа, прочность при изги­бе 8 МПа.

Рис.28. Кинетика изменения проч­ности бетона при сжатии в зависи­мости от вида добавки

1-эталон, В/Ц =0,35; 2 - МЛС; 3 — СНФ; 4 - СМФ (для кривых 2—4 В/Ц =0,28)

Долговечность бетона

Известно, что для придания бетону высокой морозостойкос­ти (стойкость к воздействию попеременного замораживания и оттаивания) в него вводят воздухововлекающие добавки, обеспечивающие определенное распределение пузырьков газо­вой фазы по размерам и «фак­тор расстояния» между ними, который не должен превышать 200 мкм. Исследования, прове­денные в США и Японии, показали, что в присутствии суперпластифи­каторов, особенно нафталин- и меламинформальдегидного типов, значение фактора рас­стояния, как правило, оказывается превышенным. Несмотря на это, морозостойкость бетона с указанными добавками, опре­деленная согласно стандарту С 666 по методу А (замора­живание и оттаивание в воде) и В (замораживание на возду­хе, оттаивание в воде), не ухудшилась (некоторые дан­ные, подтверждающие сказан­ное, приведены в табл. 7— 9). Имеется небольшое чис­ло противоположных результа­тов, оставшихся без объясне­ния. Представляется, что для бетона с суперпласти­фикаторами фактор расстояния между пузырьками может и не играть той роли, которая ему отведена при введении воздухо­вовлекающих добавок.

Рис. 29. Влияние дозировки СНФ на фактор расстояния L по данным различных авторов. 1 — КАО SOAP; 2 — Мальхотра, 3 — Гото, Миура и Сузуки

Влияние дозировки супер­пластификатора на фактор рас­стояния (L) видно из данных рис. 29, построенного для

Сульфатостойкость бетона с суперпластификаторами близ­ка этому свойству бетона без добавок. Об этом свидетель­ствуют результаты исследова­ний  и, представлен­ные на рис.30 и 31. Испы­тания бетона с суперпласти­фикатором нафталинформальдегидного типа проводили в растворе сульфата магния (концентрация в пересчете на SO3 составляла 3%). Критериями служили изменения массы об­разцов-призм размером 100х100x500 мм, их длины и ди­намического модуля упругости.

Бетоны с суперпластифика­торами имеют удовлетворитель­ную стойкость к шелушению в присутствии солей.

Рис.30. Влияние суперпластифика­тора на водостойкость и сульфатостойкость высокопрочного (а) и мало­прочного (б) бетона, определенное по данным о потере массы

После каждых пяти циклов раствор соли и поврежденный бетон отделяли от образцов и помещали в контейнер и за­тем после оттаивания фильтро­вали. Остаток на фильтре су­шили при 105 °С до постоянной массы.

Изменение массы в зависи­мости от числа циклов замора­живания и оттаивания (рис..32) свидетельствует о том, что бетон с суперпластификатором меламинформальдегидного типа не менее стоек, чем бетон без добавки. Потеря массы 1 м2 составила 0,5 кг против 0,8 кг — предельно допустимого значения для подобных испыта­ний.

Рис. 31. Влияние суперпластификато­ра на водостойкость и сульфатостойкость высокопрочного (а) и малопроч­ного (б) бетона, определенное по дан­ным об изменении динамического мо­дуля упругости — (обозначения те же, что и на рис. 4.30)

Коррозия арматуры. В исследованиях было показано, что введение в бетон супер­пластификатора нафталинформальдегидного типа не вызы­вает никаких опасений в отно­шении арматуры. Использова­ны железобетонные сваи внеш­ним диаметром 300, толщиной 70 и длиной 2300 мм. Наряду с суперпластификатором изуча­ли добавки лигносульфоната и хлорида кальция. Сваи изго­товляли методом центрифугиро­вания и прессования.

Для ускорения твердения бетона использовали паропрогрев. Готовые плиты погру­жали в воду на один год, а за­тем хранили в течение четырех лет в атмосферных условиях. После испытаний арматурные стержни извлекали и определя­ли площадь их коррозионного поражения (табл. 10).

Как видно, коррозия арма­туры в присутствии суперпластификатора незначительна (следы), тогда как присутствие хлорида кальция вызывает значительные коррозионные поражения.

Влияние суперпласти­фикаторов на прочность сцеп­ления бетона с арматурой. По данным работы канадских специалистов M.Collepardi и M.Corradi, вве­дение суперпластификатора улучшает адгезию цементного камня к арматуре как в тяже­лом, так и в легком бетоне (табл. 11). Например, в пер­вом случае сцепление гладкой арматуры с бетоном возросло в присутствии суперпластификатора к 7 сут с 1,2 до 3,5 МПа, а периодического профиля— с 15 до 27,5 МПа. Аналогичные результаты получены и для лег­кого бетона.

Рис.32. Потери массы бетона в результате высолообразования при циклическом замораживании – оттаивании образцов при расходе цемента 311(а), 363(б), 415(в) кг/м3. 1 – эталон, 2 – первая смесь, 3 – вторая смесь.

Применение супер­пластификаторов в предвари­тельно напряженном и сборном железобетоне для архитектур­ных целей

Суперпластификато­ры применяют во все возрас­тающих масштабах для следую­щих целей: а) получение бето­на прочностью при сжатии около 40 МПа в возрасте от 8 до 18 ч; б) экономия топлива при использовании в сборном железобетоне; в) снижение рас­хода цемента; г) снижение рас­хода энергии для вибрации и  уменьшения  уровня  шума.

На рис.33 и 34 видна эффективность применения су­перпластификаторов для повы­шения ранней прочности бето­на.

В работе Роберта В.ЛаФрауша (The Use of Superplasticizers in Precast Industry) показано, что использование суперпластифи­каторов позволяет существенно уменьшить расход энергии бла годаря снижению температуры пропаривания и (или) време­ни прогрева изделий, что весьма актуально для современ­ной   строительной   индустрии.

Рис.33. Влияние температуры хра­нения бетона с суперпластификато­рами на его прочность в возрасте 18 ч {расход цемента типа III — 415 кг/м3; осадка конуса смеси — 50 мм ). 1 — эталон; 2—1,2% СНФ; 3 — добавка СНФ, 1.9% модифицированная, 4 — 3 % СМФ; 5 — 1,8 % СНФ

Рис.34. Зависимость прочности бе­тона при сжатии от дозы СМФ для бетона различного возраста. Примечание. Плотность легкого бетона 1,8 кг/м3

Данные рис. 33 иллюстри­руют эффективность исполь­зования суперпластификаторов разного состава при температу­ре бетона от 20 до 60 °С (по оси ординат отложена проч­ность бетона при сжатии через 18 ч). В качестве контрольного принят бетон с добавкой обыч­ного водопонизителя.

Опубликованы нормативные материалы применительно к смесям для омоноличивания и равномерного окрашивания поверхности архитектурных преднапряженных и сборных конструкций с использованием суперпластификаторов.

Правила для омоноличива­ния смеси:

1. Для смесей заполнителей максимальных размеров следу­ет использовать вибраторы, работающие по принципу пере­дачи динамических усилий с ускорением менее 100 g (9800 мм/с2); они высокоэффективны для бетонных смесей и с малой, и с большой осадкой конуса.

2. Применение суперпласти­фикатора, введенного в доста­точном количестве, позволяет снизить содержание воды в смеси  и  повысить  прочность.

3. При использовании литой бетонной смеси можно умень­шить требования к ее уплотне­нию.

Правила, обеспечивающие гомогенизацию окраски поверх­ности бетона:

1. Добавки вводят в опти­мальной дозировке, обеспечи­вающей требуемые сроки схва­тывания цемента и прочность бетона.

2. Суперпластификаторы нафталинформальдегидного типа могут слегка изменить белый или другие светлые цвета бетона.

3. Снижение водоцементного отношения, достигнутое благо­даря применению суперпласти­фикаторов, по-видимому, не приводит к обесцвечиванию бе­тона или к появлению темных пятен.

4. При образовании большо­го числа раковин на поверх­ности бетона необходимо умень­шить содержание суперпласти­фикатора.

Первый ответственный ком­плекс, построенный в Северной Америке из сборных конструк­ций с применением суперплас­тификаторов,—Олимпийский стадион в Монреале (Holbek Kai, and Skrastins, Some Experience With the Use of Suplastisizers in the Precast Concrete Industry in Canada). Ори­гинальные конструкции стадио­на к 28 сут набрали прочность при сжатии 42 МПа (при прочности после распалубки преднап ряженного железо­бетона не ниже 21 МПа). Све­жая бетонная смесь имела осад­ку конуса 150 мм. Эти характе­ристики обеспечены благодаря использованию суперпластифи­катора.

Безусадочный бетон

В США используют расширяющийся цемент, в Италии и Япо­нии для снятия усадки в бетон­ную смесь на стадии ее приго­товления вводят расширяющие­ся компоненты в виде добавок. Обычно используют два типа расширяющих добавок: на ос­нове    сульфоалюмината    или алюмината кальция и на основе извести.

Применение суперпластифи­каторов, снижающих водоце-ментное отношение и повышаю­щих раннюю прочность бетона при сжатии, способствует ком­пенсации усадочных деформа­ций и позволяет уменьшить расход расширяющих добавок.

Ниже приведены характе­ристики безусадочных (А) и безусадочных, пластифициро­ванных суперпластификатора­ми (В и С) бетонов:

*Ускорнтель схватывания цемента. **3амедлнтель схватывания цемента.

Прокачиваемость. В одном из исследований бетонные смеси с суперпластификатором прокачивали в полевых усло­виях; в одной серии прокачи­вали 200 м3 обычной и легко­бетонной смеси разных составов (с суперпластификаторами и без них) по горизонтальным трубам Ø125 мм на расстояние 109 м. Содержание добавки типа СНФ изменяли от 0,4 до 0,7% массы цемента. Сразу после введения суперпластифи­катора включали лопастную ме­шалку. Она в течение 1 мин перемешивала смесь, которую перекачивали затем при расхо­де 10, 20, 30, 40, 50 и 60 м3/ч. Одновременно измеряли давле­ние смеси для каждого из перечисленных условий. Опре­делены также осадка конуса, содержание воздуха и другие свойства бетонной смеси и бе­тона всех составов. Эти испы­тания показали, что давление, требуемое для прокачивания обычной бетонной смеси с су­перпластификатором, на 30%, а легкобетонной смеси на 10% меньше, чем для смеси без добавок (рис. 35 и 36).

  Рис. 35. Осадка конуса бетонной смеси для обычного тяжелого бетона (а) и для легкого бетона (б). Белые точки — обычный бетон; черные точки — смесь с суперпластификатором.

/ — обычный состав; //—состав с суперпластификатором до перекачивания; /// — то же, после пере­качивания

Рис. 36. Давление бетонной смеси в зависимости от расстояния от бетононасоса для тяжелого бетона (а) и легкого бетона (б). Белые точки — обычный бетон; чер­ные точки — смесь с суперпластификатором. На рисунке даны значения осадки кону­са, мм. В скобках указаны исходные значения ОК

Характеристика сталефибробетона. В исследованиях американских ученых (Perfomarmance Characteristics of Steel Fiber Reinforsed Superplasticized Concrete) приведены характеристики сталефибробетона (из углеро­дистой стали); волокна (длина 55 мм, диаметр 0,5 мм) пред­варительно склеивали в пач­ки водорастворимым клеем. Расход арматуры варьировали от 32,62 до 50,41 кг на 1 м3. Ис­пытания показали, что приме­нение суперпластификаторов поможет преодолеть трудности, связанные с ухудшением удобоукладываемости бетонной смеси. Однако при этом сле­дует несколько повысить до­зировку суперпластификатора. На рис. 37 и 38 пред­ставлены данные, характери­зующие свойства сталефибро­бетона с суперпластификато­рами.

Рис.37. Взаимосвязь между осад­кой конуса и текучестью бетонной смеси. 1 — обычная бетонная смесь с суперпластифи­катором; 2 — смесь с суперпластнфикатором, армированная фиброй

Рис.38. Зависимость прогиба от на-гружения бетона при расходе фибры 32,62 кг/м3 и содержании воздуха 5,7%, 44,48 кг/м3 и 4,5 % и 56,34 кг/м3 и 4,6%. Во всех сериях опытов В/Ц = 0,36, расход цемента 362,5 кг/м3, доза суперпластификатора 1 %

Роль суперпластифи­каторов в бетоне с «белой сажей» — активным дисперсным кремнеземом. Высокодисперс­ный   кремнезем,   обладающий гидравлической активностью, получают в электропечах как попутный продукт металлурги­ческого производства. Его улав­ливают на фильтрах в виде сферических частиц максималь­ным диаметром 0,1 мкм. Части­цы состоят из диоксида каль­ция большой степени аморфизации. Высокая дисперсность (удельная поверхность актив­ного кремнезема около 20000 м2/кг)   повышает водопотреб­ность тем больше, чем больше его содержание. Так (рис.39) замена 30% цемента с водоцементным отношением 0,64 активным кремнеземом на 30% повышает водопотребность смеси. Применение суперпластификаторов облегчает решение проблемы снижения водопотребности бетонов (рис. 40 и 41). Представ­ляется, что суперпластификато­ры более эффективны при их введении в составы с активным кремнеземом при повышенном водоцементном отношении.

Рис.39. Зависимость водопотребности бетонной смеси от содержания дисперсного активного кремнезема (от­ношение В/Ц+песок к контрольной смеси равно 0,64; суперпластификатор не использовался)

Применение супер­пластификаторов в особовысокопрочных бетонах. Использо­вание суперпластификаторов позволяет получить особопрочные бетоны. Известно о получении бетона прочностью через 100 сут поряд­ка 150 МПа при введении от 1 до 4% суперпластифи­катора в цементные материалы с активным кремнеземом (рис.42).

Состав особовысокопрочного бетона с суперпластификатором приведен ниже (кг на 1 м3):

Примечание. Жесткость смеси 10— 20 с при вибрации с частотой 50 Гц.

Применение прочных запол­нителей обеспечило более высокую прочность бетона.

Рис.40. Зависимость прочности при сжатии бетона с суперпластификато­ром от содержания дисперсного ак­тивного кремнезема, % (отношение В/Ц+песок=0,4)

Как видно из табл. 12, прочность раствора и бетона может быть в 3—5 раз выше, чем у традиционных составов. ­

Рис. 41. Зависимость прочности при сжатии тощего бетона с суперпласти­фикатором от содержания дисперс­ного кремнезема, % (расход цемента 175 кг/м3)

Бетон из высокоглиноземистого цемента. Хорошо известно, что для получения качественного бетона из цемен­та его расход должен быть не ниже 400 кг на 1 м3, а водоцементное отношение—не выше 0,4. При невыполнении этих условий бетон при длитель­ном хранении теряет прочность вследствие превращения метастабильного СаО-Аl2Оз-10Н2О в более устойчивый ЗСаО-А12О3-6Н2О. С другой сторо­ны, при В/Ц

Можно было бы рассчитывать на то, что приме­нение суперпластификаторов позволит решить эту проблему. Однако, как видно из рис. 43, этого не происходит: да: же при введении суперпласти­фикаторов разных типов в боль­ших дозах консистенция бетон­ной смеси не становится «ли­той» и ухудшается менее чем через 20 мин.

Рис.42. Кинетика роста прочности при сжатии высокопрочного бетона; водное хранение при температуре 20 °С

К тому же проч­ность    при    сжатии    бетона с суперпластификатором через 2 сут заметно ниже, чем бетона без добавки, и только к 180 сут эти показатели становятся соиз­меримыми (табл. 13). Супер­пластификаторы не влияют на степень превращения СаО-А12О2-10Н2О в ЗСаО-А12О3-6Н2О.

Бетон на шлакопортландцементе. Было доказано, что при замене до 65% портландцемента доменным шлаком для получе­ния одинаковой подвижности смеси можно на 10% снизить расход суперпластификатора. Кроме того, при замене шлаком 25% цемента и при водовяжущем отношении от 0,46 до 0,56 прочность при сжатии бетона с суперпластификатором и воздухововлекающей добав­кой выше, чем у контрольно­го бетона, содержащего только воздухововлекающую добавку. При большем содержании шлака прочность сравниваемых бетонов практически одинакова (табл. 14).

В противоположность этому при водовяжущем отношении 0,38 прочность при сжатии бето­на с воздухововлекающей до­бавкой и суперпластификато­ром ниже, чем прочность бето­на только с воздухововлекаю­щей добавкой независимо от со­держания шлака в шлакопортландцементе. Этому изменению в поведении бетона на шлако-портландцементе объяснения не дано.

Морозостойкость бетона на шлакопортландцементе с возду­хововлекающей добавкой и су­перпластификатором удовлет­воряет требованиям стандарта ASTM С666, методика В (замо­раживание на воздухе, оттаива­ние в воде) независимо от водо-цементного (с учетом введенно­го шлака) отношения. Имеются лишь отдельные отклонения от этой зависимости.

Ускоренные прочно­стные испытания бетона.

Вве­дение суперпластификаторов практически не влияет на от­ношение прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут к проч­ности, определенной по уско­ренной методике (модифицированный метод ASTM С684), методика В (хра­нение образцов в кипящей во­де) . Об этом свидетельствуют рис.44 и табл. 15 в которой приведены сравнительные данные о прочности бетонов с добавками суперпластификато­ров и без них (контрольные) при испытании через 28 сут твердения и по ускоренному методу. Возможное объяс­нение этому факту заключается в том, что основное действие суперпластификаторы оказы­вают в течение первых несколь­ких часов после их введения, а образцы по ускоренной мето­дике испытывают через 24 ч после распалубки.

Рис.43. Кинетика потери подвижно­сти высокоалюмииатиого цемента с добавками на основе ЛС (а), СНФ (б) и СМФ (в). На кривых указаны дозы добавки, %

Биологическое дейст­вие суперпластификаторов. Ка­кие-либо медицинские ограни­чения в отношении применения суперпластификаторов отсутст­вуют, хотя формальдегид, ис­пользуемый при получении наи­более эффективных суперплас­тификаторов, может быть опа­сен для здоровья, но он проб­но связан в соответствующие соединения и не может вызвать никаких нежелательных явле­ний.

Стандарты

Согласно ASTM С494-81 различают два типа суперпластификаторов: тип F—сильный водопонизитель и тип G — сильный водопонизи­тель и замедлитель схватыва­ния. Максимальное содержание воды в присутствии суперплас­тификаторов — 88% против 95% для обычных водопонизи­телей. Прочность при сжатии (минимальная, %, по сравне­нию с контрольной): 140, 125, 115, ПО, 100 и 100 в возрасте соответственно 1, 3, 7, 28 сут, 6 и 12 мес для добавки типа F и 125, 125, 115, ПО, 100 и 100 для добавки типа G (в те же сроки).

Усадка и относи­тельная долговечность бетона в присутствии суперпластифи­каторов те же, что и для бетона с добавками других типов.

Канадская ассоциация стан­дартов опубликовала проект Стандарта А266.5-М 1981 «Нор­мы использования добавок су­перпластификаторов в бетоне». В стандарте обсуждаются типы добавок, их функции, дозиров­ка, совместимость с другими добавками, технология введе­ния, условия укладки бетонной смеси и их принципиальное влияние на прочность свежего и затвердевшего бетона.

 Рис. 44. Взаимосвязь между проч­ностью бетона, определенной через 7 сут по ускоренной и через 28 по стан­дартной методике по данным разных авторов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рамачандран В.С. “Добавки в бетон. Справочное пособие”, М.: Стройиздат, (1988)

2. Ramachandran, V. S., Feldman, R. F. and Beaudoin, J. J., Concrete Science, London: He yd en & Son Ltd. (1981)

3. Odler, I. and Becker, Th., Effect of Some Liquefying Agents on Properties and Hydration of Portland Cement and Tricalcium Silicate Pastes, Cem. Concr. Res. 10: 321—331 (1980).

4. Roy, D. M. and Asaga, K-, Rheological Properties of Cement Pastes, V. Effects of Time on Viscometric Properties of Mixes Containing Super-plasticizers, Cem. Concr. Res. 10: 387—394 (1980).

5. Ramachandran, V. S., Adsorption and Hydration Behavior of Tricalcium Aluminate-Water and Tricalcium Aluminate-Gypsum-Water Systems in the Presence of Superplasticizers. J. Am. Concr. Inst. 80: 235—241 (1983).

6. Massazza, F., Costa, U. and В arril a, A., Adsorption of Superplas­ticizers on Calcium Aluminate Mono-sulfate Hydrate. Amer. Concr. Inst. SP-68, 499—514 (1981).

7. Collepardi, M., Corradi, M. and Valente, M., Influence of Polyme­rization of Sulfonated Naphthalene Condensate and its Interaction with Cement. Amer. Concr. Inst. SP-68, 485—498 (1981).

8. Burk, A. A., Gaidis, J. M. and Rosenberg, A. M., Adsorption of Naphthalene-Based Superplasticizers on Different Cements. Presented at II Intern. Conf. Superplasticizers in Concrete, Ottawa, Canada 23p (1981).

9. Ernsberger, F. M. and France, W. G., Portland Cement Dispersion by Adsorption of Calcium Lignosulfo­nate, Ind. Eng. Chem. 37: 598— 600 (1945).

10. Blank, В., Rossington, D. R. and Weinland, L. A., Adsorption of Admixtures on Portland Cement, /. Amer. Cer. Soc. 46: 395—399 (1963).

[1] n — степень полимеризации или поликонденсации