Часть 1 «Специальные цементы»

Посмотреть все статьи

9.1.2.3 Общие сведения о применении ПАВ в цементных системах.

Цементный строительный раствор в момент изготовления — это система, состоящая из различных компонентов, в том числе цемента, заполнителей и воды. Каждое твердое вещество в данном случае, независимо от его распределения в системе представляет собой отдельную фазу – совокупность отдельных частей системы, которые одинаковы по составу и по всем свойствам и отделены от остальных частей системы поверхностью раздела.

В нашем случае каждое зерно песка может быть отделено от аналогичных частичек прослойками воды или частицами цемента, но так как по составу и свойствам песчаные зерна практически не отличаются одно от другого, то их рассматривают как одну фазу. Равным образом и все частицы цемента, вводимого в состав строительного раствора, считаются другой твердой фазой.

Зерна цемента очень малы, их размерность лежит в пределах 1 – 100 микрон. Чем дисперснее вещество, тем больше его удельная поверхность. Удельная поверхность цементов, определяемая по методу воздухопроницаемости, составляет в среднем 3000 — 3500 см2/г. Этот метод вполне пригоден для практических нужд и им повсеместно пользуются. Однако он не является достаточно точным, так как не отражает истинной поверхности цементных зерен, обычно имеющих развитый микрорельеф, микротрещины и микрощели.

По этой причине реальная микрогеометрическая поверхность цементной частицы во много раз больше ее кажущейся геометрической поверхности. Значительно более достоверными являются показатели удельной поверхности, определяемые по адсорбции азота. Согласно этим методикам удельная поверхность современных цементов составляет в среднем около 20000 см2/г. Нетрудно подсчитать, что суммарная поверхность цементного порошка, идущего на изготовление 1 м3 бетона при расходе цемента 400 кг/м3, составляет 800000 м2. А если сюда добавить еще поверхность заполнителей (их удельная поверхность значительно меньше, чем цемента, но её все равно нужно учитывать), то окажется, что поверхность частиц твердых фаз в 1 м3 бетонной смеси приближается к 1 км2.

Предположим, что при изготовлении 1 м3 бетонной смеси вводят 180—190 л воды. Теоретически такое количество воды нужно распределить на указанной огромной поверхности твердых частиц и получить практически однородную смесь. Смешивание компонентов — одна из важных задач в технологии бетонов и строительных растворов. В частности, равномерное перемешивание способствует более полному и быстрому физико-химическому взаимодействию цементных частиц с водой. Вода, вводимая в бетонную смесь при ее изготовлении, должна, прежде всего, равномерно и притом тончайшим слоем смочить всю суммарную поверхность цементных частиц и заполнителей.

Но вода обладает значительным поверхностным натяжением, т. е. между молекулами воды, находящимися в ее поверхностном слое на границе раздела фаз, действуют значительные силы сцепления, препятствующие ее растеканию. Так как из всех геометрических тел шар обладает наименьшим отношением поверхности к объему, т. е. отличается наиболее “экономным” развитием поверхности, то именно благодаря поверхностному натяжению жидкость в свободном состоянии стремится не растекаться в тонкую пленку, а образовывать шарообразные капли. Это мы наблюдаем повседневно при медленном выливании жидкости из какого-либо сосуда, при попадании воды на горячую поверхность (образуются отдельные капли), при растекании ртути, при выпадении атмосферных осадков в виде дождя. Следовательно, большое поверхностное натяжение воды препятствует ее равномерному распределению на твердых частицах бетонной смеси.

Некоторые вещества, а именно поверхностно-активные (в дальнейшем ПАВ) способны существенно снижать поверхностное натяжение воды у данной поверхности раздела фаз, например на границах раздела фаз вода — твердое тело, вода — воздух. Всем известный с детства пример проявления действия этих веществ – мыльные пузыри. Можно раздуть мыльный пузырь диаметром даже более 20 см. Это удается сделать потому, что на обеих сторонах тончайшей водяной оболочки пузыря находятся молекулы ПАВ. В таком состоянии слой воды не стремится сжаться, а наоборот, легко поддается растяжению, становясь как бы подобным резине.

Таким образом, добавки ПАВ, снижая поверхностное натяжение воды, тем самым облегчают равномерность ее распределения тонким слоем на поверхности твердых тел.

 Добавки ПАВ существенным образом влияют на бетонные композиции как на стадии их приготовления, так и на стадии эксплуатации уже готовых бетонных изделий.

Улучшение смачиваемости цемента и заполнителей.

Добавки ПАВ улучшают растекание воды тонким слоем по поверхности твердых частиц, входящих в состав бетонной смеси. Но тончайшие слои воздуха, адсорбированного на зернах цемента, песка, щебня, в том числе и в их микротрещинах и микрощелях, или защемленного между зернами, в сою очередь препятствуют их смачиванию.

Известно, что ПАВ способны эмульгировать воздух в воде, и по этой причине добавки ПАВ в бетонную композицию также облегчают смачивание водой твердых наполнителей. А чем полнее произойдет смачивание компонентов бетона, тем большей будет однородность его свойств в различных участках тела бетона и тем выше окажется его качество.

Дефлокулирующее действие ПАВ на цемент.

При взаимодействии воды с цементом его зерна частично слипаются, не успев заметно прореагировать с водой. Следовательно, в получаемом цементном тесте содержится некоторое количество скоплений (флокул) цементных частиц. Такие флоккулы цемента при своем образовании захватывают воду, поэтому ее приходится вводить в большем количестве, чем это теоретически необходимо, с тем, чтобы повысить подвижность (пластичность) системы. В таких агрегатах-флокулах цемента не только вода, но и сам цемент не используется полностью. Мелкие комочки цемента, не прореагировавшего с водой, остаются как бы упакованными в затвердевшем бетоне. Добавки ПАВ являются дефлокулянтами цемента (способствуют разбиению цементных скоплений на более мелкие составляющие), повышая тем самым эффективность его использования.

Пластифицирующее действие ПАВ (уменьшение расхода воды и цемента при изготовлении бетонов и растворов).

Хорошо известно, что при изготовлении бетонов и растворов всегда приходится решать противоречивую задачу. С одной стороны нужно ввести в бетонную (растворную) смесь как можно больше воды для обеспечения легкости её вымешивания, транспортировки и укладки. С другой стороны, чтобы получить плотный и прочный бетон (раствор), количество воды следует минимизировать, вплоть до теоретического минимума, обусловленного водопотребностью, для достижения теста нормальной густоты.

Цементное тесто в бетоне можно считать минеральным клеем для песка и щебня. В таком клее, с одной стороны, должно быть достаточно воды, чтобы он легко распределялся по поверхности твердого тела, но с другой стороны, при разбавлении цементного клея водой, прочность склейки уменьшается.

Твердение цемента это химический процесс, обусловленный взаимодействованием двух основных реагентов – цемента и воды. Портландцемент в ходе этой реакции способен химически связать всего лишь 20 — 25% воды, от своей массы. При этом образуются твердые гидратные новообразования, которые обусловливают и формируют прочность бетонов.

Между тем при изготовлении бетонов вынуждены расходовать воды 40 — 55% от массы цемента (при условии вибрационного или другого эффективного метода уплотнения бетона). В строительные растворы, которые требуют повышенных реологических характеристик смеси, воды, добавляют еще больше – 60 – 80% от массы цемента и даже более того. Такие значительные количества воды в бетонной (растворной) смеси нужно не для протекания химических процессов твердения, а исключительно для того, чтобы получить смесь, достаточно удобную в работе при данных методах укладки и уплотнения.

Общеизвестно, что увеличение удельного расхода воды (т. е. увеличение водоцементного отношения) отрицательно сказывается на всех свойствах бетона (раствора). Та вода, которая не была связана в процессе химической реакции с цементом в гидратные новообразования, испаряется из бетона при его твердении, вызывая значительную его усадку и оставляя поры, подчас крупные, открытые, соединенные капиллярными ходами. Наличие таких пор ослабляет структуру затвердевших бетонов (растворов), при этом понижается прочность, особенно при изгибе и растяжении, повышается способность впитывать воду и агрессивные жидкости.

Любой коррозионный процесс связан с диффузией (прониканием) агрессивного вещества в тело материала. Чем больше открытых пор, тем интенсивнее идут диффузионные процессы и тем резче сказываются коррозионные воздействия на бетоны и на арматуру в них. Равным образом процессы частого попеременного намокания и высыхания, замораживания и оттаивания тоже протекают тем интенсивнее, чем больше открытая пористость цементного материала. В итоге снижается долговечность бетонных конструкций.

Таким образом, в технологии бетона заложено серьезнейшее противоречие. Мы наблюдаем большое расхождение “лезвий ножниц” между количеством воды, нужным для процесса твердения цемента, и тем количеством воды, которое мы вынуждены давать для получения удобоукладываемых систем. Как же сблизить “лезвия ножниц”? Как устранить указанное противоречие?

Если бы была возможность применять цемент, который химически связывает не 20 — 25%, а, например, 40% воды, то получали бы цементный камень с невысокой пористостью. Такой цемент есть — это глиноземистый цемент, но он достаточно дефицитен и дорог, его применение оправдано только в специальных случаях.

Существует возможность уменьшить водоцементное отношение, изготовляя бетонные смеси, уплотняемые при помощи внешнего вибровоздействия. Под влиянием вибрации бетонная смесь приобретает жидкотекучие свойства и становится более подвижной и пластичной. Однако операции вибрирования не панацея. Тем более во многих сферах вибрационное уплотнение просто невозможно применить.

Между тем, помимо способов механического уплотнения, имеется другой принципиальный и более эффективный метод уменьшения количества воды затворения при изготовлении бетонов — это использование добавок ПАВ. Эти добавки можно с успехом применять в любых бетонах, независимо от метода их уплотнения, в том числе и в вибрируемых. С помощью добавок ПАВ можно уменьшать водоцементное отношение в бетонах в среднем на 10%, а в растворах на 12 -14%.

Так как прочность бетонов и растворов зависит от водоцементного отношения, то для получения заданной прочности можно, снижая количество воды, уменьшать и дозировку цемента обычно на 8 – 10% , а иногда и более. Иначе говоря, применение поверхностно-активных веществ дает возможность экономить цемент, т. е. служит одним из важных путей к решению общей задачи рационального и экономного использования материальных ресурсов в строительстве.

Экономия цемента в низкомарочных бетонах и тощих растворах.

В ряде случае возникает необходимость рационального использования цементов высокой активности (например, широко распространенной марки “М-400”) для приготовления бетона или т.н. “тощего” раствора (кладочного или штукатурного), к которым предъявляются умеренные прочностные требования при достаточно жестких требованиях в отношении морозостойкости и водонепроницаемости.

Проектируя такие составы на высокоактивных цементах и не всегда имея возможности вводить тонко молотые добавки, разбавители для понижения активности цементов, которые, как известно, к тому же понижают морозостойкость бетона, строители становятся зачастую перед необходимостью применять бетон, обладающий значительно большей прочностью, чем это требуется, т.к. для достижения заданной подвижности бетонной смеси при достаточно низком водоцементном отношении приходится излишне перерасходовать цемент.

Возможным путем экономии в этом случае могло бы быть повышение водоцементного отношения и соответственное уменьшение расхода цемента, т. е. путь снятия излишнего запаса прочности бетона. Однако простое повышение водоцементного отношения, по сравнению с общеизвестными пределами, обычно влечет за собой снижение морозостойкости и водонепроницаемости бетона.

Применяя гидрофобизирующие ПАВ, выступающие в данном случае в качестве микропенообразователей, представляется возможным в данном случае уменьшить расход цемента, увеличив водоцементное отношение и назначив его в соответствии с требуемой прочностью бетона, учитывая, что добавки обеспечат повышение морозостойкости и водонепроницаемости бетона до приемлемых величин. Воздухововлекающие добавки позволяют в этом случае заметно уменьшить расход цемента, приблизив прочность к заданному значению и удовлетворив требованиям в отношении морозостойкости и водонепроницаемости материала.

Повышение производительности труда каменщиков и штукатуров.

В тощих растворах (кладочных и штукатурных) гидрофобизирующие ПАВ позволяют повысить т.н. комплекс удобоукладываемости за счет повышения пластической вязкости растворной смеси. Это значительным образом повышает производительность труда каменщиков и штукатуров. Достаточно сказать, что, единожды попробовав работать с такого рода добавками (иногда их в рекламных целях называют на манер “заменители извести”) каменщики впоследствии отказываются без них работать.

Уменьшение экзотермии бетона.

Чем меньше расход цемента при изготовлении бетона, тем ниже его экзотермия – выделение тепла в ходе химического взаимодействования цемента и воды

При возведении многих массивных монолитных бетонных конструкций, например гидротехнических, необходимо, чтобы экзотермия бетона была, но возможности невысокой, иначе могут возникнуть значительные градиенты температур в бетоне, так как наружные слои бетонной конструкции охлаждаются водой или воздухом, а его ядро – центральная часть – может разогреться до достаточно высоких температур. При этом возникают значительные напряжения в теле бетонного массива, которые обуславливают появление трещин и неоднородностей.

Введение добавок ПАВ позволяет снизить расход цемента и тем самым уменьшить экзотермию бетона.

Уменьшение остаточной влажности пропаренных изделий.

Очень важно, чтобы остаточная влажность изделий после пропаривания была по возможности низкой. Особенно это касается стеновых ограждающих конструкций. Монтаж таких изделий в конструкцию может вызвать полное промерзание стен в первую же зиму.

Повышенная отпускная влажность также способствует коррозии арматуры и закладных деталей, способствует длительному, порой многолетнему, специфическому сырому “бетонному” запаху в помещениях.

Благодаря добавок ПАВ удается снизить отпускную влажность бетонных изделий после пропаривания, а гидрофобизирующие добавки, кроме того, еще и облегчают и ускоряют их высыхание.

Повышение жизнеспособности бетонных (растворных) смесей.

Использование добавок ПАВ позволяет повысить жизнеспособность бетонных (растворных) смесей, что особенно важно при их современном централизованном производстве на автоматизированных заводах. Заводы представляют собой крупные предприятия, каждое из них снабжает множество строительных объектов готовыми бетонными (растворными) смесями. Часто проходит 1.5 — 3 часа с момента изготовления смесей до применения их в дело. В этот период, особенно при жаркой погоде, нередко происходит преждевременное схватывание смесей, возникают производственные потери, ухудшаются свойства затвердевших материалов. Такие потери могут быть весьма значительными.

Так, при централизованном изготовлении растворов, когда их перевозят на расстояние 20 — 40 км и они еще некоторое время хранятся на объекте, потери иногда достигают 15% количества выпускаемого раствора и более. Иначе говоря, почти шестая часть продукции может оказаться неиспользованной. Для предотвращения преждевременного загустения смесей товарных бетонов и растворов и применяют соответствующие добавки ПАВ.

Добавки ПАВ нередко используют также при изготовлении монолитных бетонных конструкций, например в гидротехнических сооружениях, когда требуется, чтобы слой уложенного бетона не успел схватиться, пока не уложат новый (верхний) слой бетонной смеси, ибо сцепление “свежего бетона со “старым” происходит очень плохо, что вызывает ряд нежелательных последствий.

Бетонные смеси, получаемые при помощи электро- или паро- разогрева, применяются в производстве сборного железобетона. Такой предварительный разогрев способствует сокращению тепловлажностной обработки на 30 — 35%. Но с повышением температуры резко ускоряется схватывание цемента. Чтобы предотвратить загустевание бетонных смесей, вводят добавки ПАВ, благодаря чему удается формовать смеси в горячем виде.

(продолжение следует)