Строительство. Справочные пособия

Добавки в бетон

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В этих случаях следует учитывать воздействие одних компонентов портландцемента на процессы гидратации других компонентов. Так, влияние добавок на процесс гидратации портландцемента зависит от его состава и прежде всего от содержания С3А, щелочей и сульфатов; имеют значение, кроме того, величина удельной поверхности цемента, а также состав, молекулярная масса, дозировка лиг-носульфонатов   и   содержание в них Сахаров. Поскольку перечисленные выше характеристики цемента и добавок нередко отсутствуют в литературных источниках, трудно объяснить причины расхождений в результатах исследований, проводимых разными авторами, казалось бы, в близких условиях.

В целом можно сделать общие выводы относительно действия лигносульфонатов в обычной дозировке, т. е. 0,2— 0,3 % массы цемента при одинаковом водоцементном отношении:

а)         они не намного удлиняют

или незначительно сокращают

сроки до начала схватывания

цемента (в зависимости от их

состава   и   состава   цемента);

б)         они замедляют продол

жительность периода до конца

схватывания цемента и нара

стание прочности цементных

материалов   в   ранние   сроки;

в)         они несколько повышают

прочность растворов и бетонов

в более поздние сроки твер

дения.

На 3.28 изображены результаты действия технического лигносульфоната на процессы гидратации, сроки схватывания цемента и прочность образцов из него.

А. Начало схватывания или очень ранняя стадия гидратации цемента. Введение лигносульфоната натрия в цементные материалы приводит к ускорению процесса гидратации СзА в соответствии с уравнением (3.3) при отсутствии СН, поскольку эта добавка тормозит выделение Са(ОН)2 при гидратации C3S [50]; кроме того, при высоком содержании щелочей понижается растворимость СН (см. разд. 3.3.1.7).

Авторы работы [8] обнаружили, что при введении в цемент с высоким содержанием щелочей (1,2%КгО + 3% ЫагО) 0,2 % технического лигносульфоната кальция (в составе этой добавки присутствовали сахара) наблюдалось ускорение гидратации СзА и торможение гидратации C3S в  течение 2—3  ч   (табл.   3.9).

Если принять во внимание, что поведение C4AF аналогично поведению СзА, а степень гидратации C2S в течение первых нескольких часов пренебрежимо мала, то можно заключить, что добавление лигносульфоната может сократить сроки начала схватывания при высоком отношении алюминатных фаз цемента к C3S и удлинить эти сроки при низком отношении этих фаз (табл. 3.10).

В отличие от этого в работе [28] обнаружено, что свободные от Сахаров лигносульфонаты кальция и натрия замедляют сроки начала схватывания цемента. По-видимому, эти различия объясняются тем, что в работе [28] использован низкощелочной портландцемент и лигносульфонат кальция с примесью Сахаров, а в работах [93, 94] — не содержащий Сахаров лигносульфонат с добавкой — ускорителем схватывания.

Технический ЛСК в больших дозах (0,3—0,5 %) способен обеспечить быстрое схватывание цемента, что можно объяснить наличием в ЛСК Сахаров [28], поскольку тот же лигносульфонат кальция и в той же дозировке, но не содержащий Сахаров, не вызывает сильного сокращения сроков схватывания цемента.

Вместе с тем быстрое схватывание наблюдается при использовании добавок на основе углеводов [50, 95]. Ускорение процесса гидратации цемента в очень ранние сроки, наблюдаемое иногда при использовании цементов с высоким содержанием щелочей в присутствии нормальных дозировок технического или свободного от Сахаров лигносульфоната [93, 94], можно объяснить в соответствии с разд. 3.3.1.2 и 3.3.1.7; этот механизм отличен от того, который приводит к быстрому схватыванию при введении нормальных доз углеводов [50, 95] или высоких доз лигносульфоната кальция, содержащего сахара (см. разд. 3.3.1.4 и 3.3.1.12).

Введение добавок через некоторое время после затворе-ния цемента приводит к снижению сорбции добавки и к исключению ускорения процесса в ранние сроки [74]. В результате повышенная концентрация добавки, содержащейся в жидкой фазе, обеспечивает более сильное замедление процессов гидратации цемента на всех стадиях, чем при введении этой же добавки с водой затворения  [50].

Описано несколько случаев ненормально ранней потери подвижности цементных смесей с водопонижающими добавками [22, 96, 97], которые могут быть обусловлены двумя разными причинами: а) ускорением ранней стадии гидратации СзА, протекающей согласно уравнению (3.3) и приводящей к ложному схватыванию; б) замедлением выпадения гипса, что способствует ложному схватыванию цемента, который до введения добавки лигносульфоната характеризовался нормальными сроками схватывания. Следует отметить, однако, что в случае ложного схватывания цемента без добавки это явление не удается устранить перемешиванием и поэтому для борьбы с ним необходимо вводить повышенное количество гипса. В отличие от этого потерю подвижности, вызванную ложным схватыванием из-за присутствия лигносульфоната, удается ликвидировать путем последующего перемешивания смеси.

Автор [97], исследовавший множество партий цемента с ненормальными сроками схватывания, с добавками лигно-сульфонатов, гидроксикарбоно-вых    кислот    и    без   добавок, разделил эти цементы в зависимости от влияния добавок на четыре группы:

1.         Цементы с нормальными сроками схватывания в отсутствие добавок и ложным схватыванием при введении 0,3 % добавки. Автор полагает, что добавки увеличивают количество эттрингита в сроки от 3 до 20 мин; это и приводит к ложному схватыванию.

2.         Цементы с ложным схватыванием в отсутствие добавок и с нормальными сроками схватывания при введении 0,3 % добавки. В этом случае в присутствии добавки не происходит никаких существенных изменений в процессах рекристаллизации гипса или образования эттрингита в сроки от 3 до 20 мин. Ложное схватывание, связанное с природой тиксотропных явлений, можно объяснить взаимодействием между противоположно заряженными поверхностями зерен цемента, вызванным аэрацией. Адсорбция добавок приводит к образованию одноименно заряженных поверхностей всех фаз цемента и соответственно исключает ложное схватывание.

3.         Цементы, характеризующиеся ложным схватыванием при наличии добавок и без них. Без добавок ложное схватывание вызывает преимущественно полугидрат сульфата кальция, выкристаллизовывающейся в двугидрат, хотя эттрингит образуется между 3 и 20 мин. В присутствии добавок одновременно с кристаллизацией гипса образуется большее количество эттрингита.

4. Поведение цементов четвертой группы в основных чертах сходно с поведением цементов третьей группы, за исключением того факта, что при введении в них добавок гипс не выкристаллизовывается, по-видимому, из-за быстрой реакции SCVHOHOB ИЗ раствора с образованием эттрингита.

Б.   Конец    схватывания  или   ранняя  гидратация    цемента     (до     1 сут).   За   очень   ранним   периодом     гидратации     цемента (2—3  ч),   в  течение   которого присутствие   лигносульфонатов может    либо    ускорять,    либо замедлять процесс, обычно следует  существенное замедление вплоть   до   одних   суток.   Как видно из табл. 3.9, лигносуль-фонаты в течение этого срока сильно   тормозят    гидратацию как C3S,  так и  СзА,  а также замедляют поэтому  продолжительность схватывания цемента (см.   табл.   3.10).   В   работах [28, 93, 94]   найдено, что торможение раннего периода гидратации   цемента   вызывают   и технический, и не содержащий Сахаров лигносульфонаты, причем  их замедляющее действие пропорционально       дозировке этих добавок,  вводимых в  количестве 0,1—0,5%  массы цемента.   Это   можно   объяснить влиянием лигносульфонатов на гидратацию СзА в присутствии гипса   (см.  разд.  3.3.1.2).   Как только   образуется   эттрингит, он   адсорбирует   большое   количество молекул органических веществ и соответственно тормозит  гидратацию СзА  вследствие замедления превращения эттрингита   в   моносульфоалю-минат кальция   [28, 30]. В дополнение к этому концентрация лигносульфоната в жидкой фазе  остается  на  таком   уровне, что   одновременно   тормозится гидратация   и   C3S   (см.   разд. 3.3.1.6 и 3.3.1.2). В результате замедляются   не  только  сроки схватывания цемента, но и ранняя прочность образцов в возрасте   1   сут   (см.     3.28). В присутствии 0,14—0,28 % лигносульфоната натрия, не содержащего    Сахаров,    степень гидратации обычного портландцемента (тип I) в период между 3—4   ч   и    1—2   сут   меньше, чем низкоалюминатного цемента   (тип  V)    [94].  Это  объясняется    большей     адсорбцией добавки,  поскольку  в  цементе типа  I   выше содержание СзА (см. разд. 3.3.1.1  и 3.3.1.2);  в результате в жидкой фазе остается меньше лигносульфоната для  воздействия  на  гидратацию C3S   (см.  разд. 3.3.1.7). Эти данные объясняют, почему добавки-водопонизители    обеспечивают лучшую подвижность и   более  длинные  сроки  схватывания   составов   на   цементах с низким содержанием СзА и щелочей  [98].

Особенно сильное замедление сроков схватывания цементов с низким содержанием и СзА и гипса в присутствии лигносульфонатов [99—101] может быть объяснено недостаточным количеством сульфатов для торможения вредного действия ферритной фазы на эти процессы, а также на раннюю прочность цементных материалов [97]. В отсутствие органических добавок C4AF реагирует с гипсом, образуя богатый железом эттрингит, поэтому такие цементы имеют нормальные сроки схватывания. В случае недостаточного содержания гипса при гидратации C4AF выделяется гель гид-роксида железа (III), отлагающийся на C3S и C2S и сильно замедляющий и их сроки схватывания, и раннюю прочность образцов [102]. По-видимому, лигносульфонаты замедляют образование богатого железом эттрингита, способствуя формированию геля гид-роксида железа  [97].

Согласно [103], сильное удлинение процессов гидратации клинкера при наличии и в отсутствие лигносульфоната в большей степени обусловлено реакцией самой феррит-ной фазы, чем торможением гидратации C3S.

Альтернативная гипотеза основывается на меньшей адсорбции лигносульфоната на гид-ратирующемся C4AF, чем на СзА [45, 50] (см. разд. 3.3.1.5), поэтому в жидкой фазе остается больше добавки и она более эффективно тормозит гидратацию C3S (см. разд. 3.3.1.6).

Очень сильное торможение процессов гидратации и сроков схватывания цементов с низким содержанием гипса и СзА при введении лигносульфонатов можно предотвратить, добавляя дополнительное количество гипса при производстве цемента и (или) путем снижения дозировки лигносульфоната при производстве бетона [93]. Низкощелочные цементы также могут иметь чрезвычайно удлиненные сроки схватывания и сильно растянутые во времени процессы гидратации, поэтому в составы с такими цементами необходимо вводить меньше лигносульфоната.

По данным [8], суточная прочность образцов из раствора на портландцементе при заданном постоянном водоце-ментном отношении снижается при введении 0,2 % технического лигносульфоната (3.29), что согласуется с результатами работы  [93].

Вместе с тем степень гидратации цементов с высоким содержанием гипса в этом возрасте с помощью лигносульфоната не удается затормозить сколько-нибудь существенно [93]; это можно объяснить меньшей эффективностью лигносульфонатов в качестве замедлителей гидратации в системе: С3А — гипс — Н2О (см. разд. 3.3.1.2), чем в системе СзА—Н20   (см.   разд.   3.3.1.1).

В. Более поздняя гидратация в сроки свыше 1 су т. Как видно из данных табл. 3.9, через 72 ч интенсивность пиков C3S на дифрактограммах проб цементов с добавками лигносульфоната слабее, чем в пробах без добавок. Эти результаты свидетельствуют о том, что гидратация C3S в присутствии СзА или С3А + гипс при введении лигносульфоната тормозится только в начальный период; в дальнейшем же, вследствие адсорбции на продуктах  гидратации  СзА   больших количеств лигносульфоната, его концентрация   в   жидкой   фазе становится   столь   малой,   что она   уже   не   в   состоянии   замедлить   образование   зародышей    C-S-H    и   СН.    Поэтому облегчается    гидратация    СзБ, по-видимому,   вследствие   диспергирования добавкой частиц цемента    (см.    разд.    3.3.1.6). Продолжительность     периода, после   которого   замедляющее действие   лигносульфоната   на гидратацию C3S сменяется ускоряющим  действием,  зависит от  состава   и   дозировки   этой добавки, а также от удельной поверхности  и  химико-минералогического   состава   цемента: у цементов с низкой удельной поверхностью смена замедляющего действия добавки  на ускоряющее наблюдается гораздо позднее, чем у более дисперсного   цемента,   в   частности   в присутствии   относительно   высоких доз технического лигносульфоната.    Для       обычного портландцемента количество не-испаряемой воды в присутствии 0,28 %   лигносульфоната   вначале снижается  по сравнению с контрольными  пробами   (без добавок),  но затем  через  2— 3  сут  оно  выше,  чем  у  контрольных проб.

При использовании низко-алюминатного цемента этот момент превращения добавки лигносульфоната из замедлителя в ускоритель гидратации цемента наступает лишь после 10 сут [12, 94, 104]. Кинетике гидратации цемента соответствуют данные прочности образцов в поздние сроки, что схематически изооражено на 3.29  [8]. Как видно, после трех суток прочность цементно-песчаного раствора на сжатие и изгиб при постоянном В/Ц выше в тех образцах, в которые при затво-рении вводили 0,2 % лигносульфоната, чем в контрольных образцах без добавок.

Аналогичные результаты получены при использовании обычного и низкоалюминатного цементов (оба с относительно высокой удельной поверхностью— примерно 450 м/кг). При этом для образцов из низкоалюминатного цемента наблюдалось   снижение   прочности при сжатии в возрасте 1 и 3 сут. Однако иногда введение лигносульфоната не приводит к росту прочности образцов в более позднем возрасте вследствие их воздухововлека-ющего эффекта  [105].

Добавки лигносульфонатов не вызывают сколько-нибудь существенного изменения морфологии и микроструктуры цементного камня; правда, структура становится несколько более плотной вследствие диспергирующего действия этих добавок на зерна цемента •[106, 107]. Об этом свидетельствуют    и   данные    [105].