ГЛАВА 8. ИСКУССТВЕННЫЕ КОНГЛОМЕРАТЫ
НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
Общие сведения
Конгломераты (от лат. conglomeratus — собранный, уплотненный) представляют собой композиционные составы в виде механического соединения разнородных материалов — вяжущего вещества (матрицы) и заполнителей (наполнителей). Различают природные и искусственные конгломераты.
Природные конгломераты — горные породы, состоящие из окатанных обломков горных пород (гравия) различного состава, величины и формы сцементированных глиной, известью, кремнеземом и другими природными вяжущими. В искусственных конгломератах в качестве вяжущих веществ применяются цемент, известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло и др. Заполнителями могут быть как дисперсные, мелко- и крупнозернистые составляющие (наполнители, мелкие и крупные заполнители), так и волокнистые (природное, искусственное и синтетическое волокно). Матрицей искусственных конгломератов могут быть и более сложные материалы, уже являющиеся композитами (строительный раствор, бетон). При их армировании получают новые конгломераты — армоцемент, железобетон, т. е. системы с несколькими уровнями.
Наиболее распространенными представителями искусственных конгломератов на основе минеральных вяжущих веществ являются бетоны и строительные растворы. В их состав помимо минеральных вяжущих могут входить органические вяжущие, вода затворения, добавки различного функционального назначения и заполнители.
Вода и добавки к бетонам и растворам
Вода для приготовления бетонов и строительных растворов не должна содержать вредных примесей в количествах, нарушающих нормальный процесс схватывания и твердения вяжущего вещества и вызывающих коррозию стальной арматуры, появление в структурах бетонов и растворов новообразований, уменьшающих их прочность и долговечность (СТБ 1114).
Чаще всего для этих целей используют водопроводную питьевую воду, а также воду, имеющую водородный показатель рН в пределах 4...12,5, т. е. не кислую и не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет.
Вредными примесями в воде считаются органические вещества, растворимые соли, в особенности, содержащие ионы SO4-2 и Сl-1, а также взвешенные частицы глины, пыли, песка, почвы и др.
Недопустимо применять болотные и сточные воды (бытовые и промышленные) без их предварительной очистки. Кроме того, на использование сточных вод необходимо получать разрешение санэпидемстанции. Пригодность воды для бетона устанавливается, как правило, химическим анализом либо испытанием прочности бетонных образцов, изготовленных на испытываемой воде и на чистой питьевой. Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы показали прочность не меньшую, чем на чистой питьевой воде.
Добавки — химические и минеральные вещества неорганической и органической природы, растворимые и нерастворимые, инертные и реакционноспособные, жидкие и твердые, в том числе в дисперсном состоянии. По международной терминологии различают добавки (admixtures), вводимые в количестве до 5%, и добавки (additives) — более 5% от массы цемента.
Классификация добавок как в нашей стране, так и за рубежом построена, в основном, по признакам и достигаемым эффектам. Однако строгой классификации и возможности ориентироваться в разнообразии химических и минеральных добавок в настоящее время практически нет. Производители добавок по разным причинам (из-за нецивилизованных методов конкуренции, сознательного искажении качественных показателей, сохранения секрета, в рекламных целях и т. п.) создают и развивают излишне сложную терминологию, не поддающуюся систематизации.
По СТБ 1112 химические добавки в зависимости от назначения или основного эффекта действия подразделяют на виды:
• регулирующие свойства бетонных смесей:
- пластифицирующие (I группа - суперпластификаторы, II группа — сильнопластифицирующие, III группа — среднеплас- тифицирующие, IV группа — слабопластифицирующие);
- стабилизирующие;
- водоудерживающие;
- улучшающие перекачиваемость;
- регулирующие сохраняемость бетонных смесей (замедляющие и ускоряющие потерю подвижности);
- поризующие (воздухововлекающие, газообразующие и пенообразующие).
• регулирующие твердение бетона (ускоряющие, замедляющие и противоморозные I и II групп).
• регулирующие свойства бетона (кольматирующие, воздухововлекающие, газообразующие, гидрофобизирующие и повышающие защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре).
В зависимости от количества входящих в состав добавок продуктов они подразделяются на однокомпонентные (ДО) и комплексные (ДК), по агрегатному состоянию — на жидкие (Ж), пастообразные (П) и твердые (Т), по химической природе — органические и неорганические, и в зависимости от водородного показателя — кислые, нейтральные и основные.
Пластифицирующие добавки увеличивают подвижность (или уменьшают жесткость) бетонных смесей. При этом в зависимости от группы либо не допускается снижение прочности бетона, либо допускается не более 5... 10%.
Суперпластификаторы (I группа) обладают наиболее сильным разжижающим действием и не замедляют твердение бетона (полипласт СП-1, С-3, мегалит, стахемент F и др.). Они увеличивают подвижность бетонной смеси до 21 см и более без снижения прочности бетона в возрасте 28 сут.
Силънопластифицирующие добавки (II группа) увеличивают подвижность бетонной смеси до 16...20 см (модифицированные лигносульфонаты, стахепласт М, комплекс-5, СПС, лигнопан Б-2 и др.). Применяют их для приготовления пластичных смесей, а также для получения бетонов классов В30... В40.
Среднепластифицирующие добавки (III группа) увеличивают подвижность бетонной смеси до 10... 15 см (лигносульфонат технический — JICT, комплекс-2, лигнопан Б-6 и др.).
Слабопластифицирующие добавки (IV группа) оказывают на бетонную смесь пластифицирующе-воздухововлекающее действие — увеличивают подвижность до 5...9 см без снижения прочности бетона, снижают на 5...10% расход воды и вовлекают в бетонную смссь 2...5% воздуха. Некоторые из них дополнительно гидрофобизируют стенки пор цементного камня. В результате уменьшается водосодержание бетона, возрастает морозостойкость и водонепроницаемость, повышается долговечность бетонных и железобетонных конструкций. Их рекомендуется применять в тощих растворах и бетонах, отличающихся малым расходом цемента. В качестве примера таких добавок можно привести щелочной сток производства капро- лактама (ЩСПК), мылонафт (Mj), этилсиликонат натрия (ГКЖ-10) и др.
Стабилизирующие, водоудерживающие и улучшающие перекачиваемостъ бетонной смеси добавки предназначены для уменьшения водоотделения, расслоения и сохранения заданных свойств бетонных и растворных смесей в течение 2...3 ч. К таким добавкам относят полиоксиэтилен (ПОЭ), гипан (ГП), комплексную органическую добавку (КОД-С) и др.
Воздухововлекающие добавки снижают поверхностное натяжение жидкости на границе вода-воздух и обеспечивают вовлечение воздуха в бетонную смесь при ее перемешивании в пределах 6... 15% с получением слитной структуры бетона. Насыщение цементного теста тонкодисперсными пузырьками воздуха увеличивает его объем, повышая подвижность бетонных и растворных смесей, однако в ряде случаев понижает прочность бетона. К таким добавкам можно отнести смолу древесную омыленную (СДО), сульфонол, смолу нейтрализованную воз- духововлекающую (СНВ) и др.
Газообразующие добавки обеспечивают газообразование в смеси (15...25%) за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента. В результате в бетоне создается пористость в виде тонкодисперсных равномерно распределенных замкнутых пор-ячеек без снижения прочности при одинаковой средней плотности бетона. К газообразователям относят алюминиевую пудру (ПАП-1, полигидросилоксаны и др.).
Воздухововлекающие и газообразующие добавки существенно повышают его морозостойкость и водонепроницаемость.
Пенообразующие добавки (ПО-6 К, пеностром, сульфонол-40, стеарат натрия, неопор и др.) обеспечивают получение технической пены, которая при смешивании с компонентами бетонной смеси позволяет увеличивать объем воздуха в пределах 10...25% и получать бетоны ячеистой или поризованной структуры.
Замедлители схватывания и твердения увеличивают время потери подвижности бетонных смесей в два и более раза, а также замедляют процесс ее твердения на ранней стадии. При этом в возрасте до 7 сут прочность бетона снижается на 20% и более, а в возрасте 28 сут изменяется незначительно. Одновременно уменьшается скорость тепловыделения, снижается проницаемость бетона, удлиняются сроки предварительной выдержки отформованного бетона перед термообработкой. К таким добавкам относят: лигносульфонат технический (JICT), фенилэтоксисилоксан (113-63) и др.
Ускорители схватывания и твердения бетонных смесей в возрасте 1 сут повышают прочность бетона на 20% и более, но при этом может наблюдаться замедление нарастания прочности в более поздние сроки, образование высолов или коррозия арматуры. Номенклатура таких добавок весьма обширна: хлорид и нитрат кальция, сульфат натрия и др. Ускорители твердения, как правило, ускоряют и схватывание цементного вяжущего.
Противоморозные добавки обеспечивают твердение бетона и раствора зимой. При отрицательной температуре вода замерзает и гидратация цемента прекращается. Образовавшийся лед разрыхляет еще слабую структуру цементного камня, что вызывает большую потерю прочности бетона. Чтобы обеспечить твердение бетона на морозе, в бетонные и растворные смеси вводят вещества, снижающие температуру замерзания воды. Вода остается в жидком состоянии даже при температуре до -30 °С и процесс гидратации цемента продолжается. В качестве противоморозных добавок применяют следующие соли: формиат натрия, поташ, нитрит и нитрат натрия, мегалит и др.
Кольматирующие (уплотняющие) добавки способствуют заполнению пор в бетоне водонерастворимыми продуктами и, как следствие, повышают водо- и газонепроницаемость, коррозионную стойкость бетонов. К таким добавкам относят: комплексную минерально-химическую добавку (KMX), сульфат и хлорид железа, нитрат кальция и др.
Гидрофобизирующие добавки придают стенкам пор и капилляров в бетоне гидрофобные (водоотталкивающие) свойства: уменьшают смачивание поверхности и снижают водопоглощение. В зависимости от степени снижения водопоглоще- ния их подразделяют на три группы: первая группа добавок (органо-минеральная и др.) — снижает водопоглощение бетона в возрасте 28 сут в 5 раз и более; вторая (полигидросилоксаны и др.) - в 2...4,9 раза; третья (ГКЖ-10, ГКЖ-11 и др.) - в 1,4... 1,9 раза.
Добавки, повышающие защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре (ингибиторы коррозии), улучшают коррозионное состояние арматуры в агрессивных средах. К ингибиторам коррозии относят: нитрит натрия (НН), нитрит-ни- трат кальция (ННК), тетраборат натрия (ТБН) и др.
Противоусадочные добавки позволяют поддерживать нормативные уровни усадочных деформаций, обеспечивающих отсутствие усадочных трещин как в цементном камне, так и в растворах и бетонах в течение всего срока эксплуатации. Например, добавка «дилафилм» (от англ. dilating — расширяющий и film — пленка), представляющая собой порошкообразный или крупнозернистый материал.
Добавки полифункционального действия (комплексные) позволяют одновременно изменять несколько свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона (например, повышать удобоукладываемость смеси и увеличивать прочность бетона). Применение добавок в комплексе позволяет резко уменьшить или полностью устранить нежелательное побочное действие каждой составляющей комплексной добавки. Например, комплексные органоминеральные добавки (модификаторы) серии МБ представляют собой порошкообразные материалы насыпной плотностью около 800 кг/м и содержат в своем составе микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор, регулятор твердения и другие добавки в разных соотношениях. Применение таких добавок более эффективно, чем тех же материалов, введенных в состав бетона раздельно. Они позволяют получать бетоны нового поколения — высокой прочности (50...60 МПа и выше), низкой проницаемости (W 12 и выше), повышенной коррозионной стойкости и морозостойкости (F 300).
В последние годы ведущие зарубежные компании уделяют серьезное внимание внедрению в практику так называемого Self Compacting Concrete SCC, или самоуплотняющегося бетона, о преимуществах которого говорит само название материала. В основу технологии самоуплотняющегося бетона положено использование новых высокоэффективных суперпластификаторов, так называемых гиперпластификаторов.
В Белорусском национальном техническом университете были разработаны пластифицирующие добавки на основе модифицированных алифатических эпоксидных смол, продуктов карбоксилирования фенолоформальдегидного олигомера и др. По степени пластификации они относятся к добавкам I и II групп. Например, при введении в бетонную смесь добавки М-1 в количестве 0,4...0,8% от массы цемента и снижении расхода воды на 15...20% прирост прочности бетона после пропаривания составляет 15...20%.