Воздухововлекающие Добавки

Воздухововлекающие добавки были открыты случайно в конце 30-х годов XX века. В штате Нью-Йорк при производстве дорожных плит было установлено, что бетон, полученный на цементах, размолотых с добавкой рыбьего жира, отличается повышенной морозостойкостью. Проведенные исследования выявили, что это явление связано с дополнительным воздухововлечением в цементную матрицу.

К воздухововлекающим добавкам относят поверхностно активные вещества (ПАВ). Их действие связано с адсорбцией молекул ПАВ на границе раздела фаз, понижением в них поверхностного натяжения и вовлечением воздуха.

Воздухововлечение при получении бетонной смеси является процессом образования мельчайших воздушных пузырьков, равномерно распределяемых в матрице цементного теста. Воздухововлечение оказывает влияние на комплекс свойств растворных и бетонных смесей, а также растворов и бетонов. При получении плотных бетонов воздухововлечение повышает удобообрабатываемость, снижает расслаиваемость и водоотделение бетонной смеси, позволяет снизить расход воды и песка. В затвердевших бетонах класса B20-B60 при оптимальном воздухововлечении формируется однородный, с пониженной водонепроницаемостью и значительным повышением морозостойкости бетон.

В производстве легких бетонов воздухововлечение используется для снижения плотности материала и получения пен. Воздухововлекающие добавки с целью повышения морозостойкости бетонов, начиная с 30-х годов прошлого века и до нашего времени, позволяют эффективно, с большой степенью надежности получать дорожные, гидротехнические и другие специальные бетоны.

Изучением причин, вызывающих повышение морозостойкости бетонов с воздухововлекающими добавками, занимались Т.С. Пауэрс, С.А. Даймонд, Г.И. Горчаков, О.В. Кунцевич и многие другие исследователи. В результате этих исследований было установлено, что для получения максимального эффекта от воздухововлечения необходимо следующее:

Общий объем вовлеченного воздуха, для исключения значительного снижения прочности бетона, должен составлять 4-8%, при этом оптимальное расстояние между пузырьками должно быть в среднем 200-250 мкм, а размеры таких пузырьков должен быть 250-350 мкм.

Для значительного повышения морозостойкости до 1000 и более циклов замораживания и оттаивания воздухововлекающие добавки применяют в комплексе с пластификаторами, гидрофобизаторами и уплотнителями. При использовании воздухововлекающих добавок в комплексе следует учитывать их совместимость.

Действие добавки в бетон этой группы сводится к замедлению процесса гидратации цемента и, как следствие, к снижению структурно-механических свойств цементного теста в начальной стадии твердения.

Это достигается благодаря способности добавок образовывать на поверхности цемента мономолекулярные гидрофобные пленки, резко уменьшающие смачивание цементных зерен водой, что приводит к тому, что портландцемент замедляет процесс гидратации и сохраняет исходную вязкость цементного теста в течение некоторого времени.

Введение добавок этой группы в состав бетонной смеси совместно с водой затворения приводит к вовлечению в смесь при перемешивании значительного количества воздуха, который, равномерно распределяясь в бетонной смеси, создает систему замкнутых воздушных пузырьков, тем самым увеличивает объем цементного теста и повышает его пластичность. Как правило, добавки этой группы обладают гидрофобным свойством. К числу наиболее распространенных воздухововлекающих добавок относятся нафтеновые кислоты, синтетические жирные кислоты и их соли.

Гидрофобно-пластифицирующие добавки состоят из гидрофобных радикалов и полярных гидрофильных групп. Гидрофобные радикалы не смачиваются водой и направлены в сторону, противоположную полярным группам, которые непосредственно адсорбируются на частицах цемента. Таким образом, сцепляясь с поверхностью частиц цемента и гидратных новообразований через полярную группу, гидрофобные добавки разделяют частицы цемента. А углеродсодержащие радикалы, обладающие минимальным сцеплением друг с другом, способствуют некоторой пластификации бетонной смеси. Пластифицирующе-воздухововлекающие добавки особенно эффективны при виброуплотнении бетонных смесей, так как увеличивают их подвижность на 15-30%.

Гидрофобно-пластифицирующие добавки наиболее эффективны как пластификаторы для бетона с невысоким расходом цемента (250– 300 кг/м3), так как увеличивают объем цементного теста за счет вовлеченного воздуха.

Применяемые на практике воздухововлекающие добавки по химической природе можно классифицировать следующим образом:

• соли, получаемые из древесной смолы (винсолы);
• синтетические моющие вещества;
• соли лигносульфоновых кислот;
• соли нефтяных кислот;
• соли, получаемые из протеинов;
• соли органических сульфокислот.

Наиболее широко используются вещества первой группы, известные под названием нейтрализованный винсол. Винсол нерастворимый остаток процесса очистки и экстракции древесных смол и выделения из них основного скипидара. Это смесь фенолов, кислот и других веществ. После нейтрализации едким натром этот остаток становится водорастворимым и в таком виде поступает в продажу как воздухововлекающая добавка.

Вторая группа добавок - алкиларилсульфонаты. Обычно их алкильные группы представляют собой нефтяные остатки, конденсированные с бензолом и затем сульфированные и нейтрализованные для получения растворимых солей - чаще всего натриевых. Алкильные группы содержат до 12 атомов углерода и хорошо вспениваются.

Третью группу сравнительно редко используют в качестве воздухововлекающей добавки из-за невысокой воздухововлекающей способности. Получают как попутный продукт целлюлозно-бумажного производства.

Четвертая группа веществ - побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности, которые производят путем обработки серной кислотой нефтяных кислот с последующей нейтрализацией, как правило, едким натром. Если нейтрализацию осуществляют триэтаноламином, получают вещества седьмой группы.

Пятую группу веществ вырабатывают из отходов животного происхождения, переведенных в соли. Это сравнительно слабые воздухововлекающие агенты, поэтому используют их редко.

Шестую группу веществ получают из разных продуктов: отходов мыловарения и растительных масел. Обычно длина алкильных групп в таких ПАВ состоит из 12-20 атомов углерода. Кроме того, в эту группу входят и продукты переработки таллового масла, получаемого как полупродукт в целлюлозно-бумажной промышленности и состоящего частично из непредельных кислот и смол. Низкая стоимость веществ делает их перспективными для применения.

Воздухововлекающие добавки вводят вместе с водой затворения. Если их вводят совместно с другими добавками, то обязательно проверяют на совместимость, в случае несовместимости производят раздельное введение добавок для исключения между ними реакции, приводящей к снижению эффекта воздухововлечения.

Долговечность большинства воздухововлекающих добавок не менее года; в процессе хранения они не меняют своих свойств, в том числе и при замораживании. Они не токсичны, поэтому не требуют специальных мер предосторожности, однако следует выполнять требования, предписанные производителями этих добавок.

Смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ) - абиетиновая смола, омыленная каустической содой, - продукт лесохимической промышленности. Вводят ее в состав бетона в количествах 0,005-0,05% от массы цемента (оптимальное количество - 0,01-0,015%). Поставляется в виде твердого продукта в деревянных или металлических емкостях, или бумажных мешках и в виде монолит-глыбы. Производится Тихвинским Лесохимическим заводом (ТУ13002870). Является одной из самых эффективных воздухововлекающих добавок для повышения морозостойкости бетона. Твердый продукт темно-коричневого цвета, медленно растворим в воде и малотоксичен.

Области рационального применения: монолитный и сборный бетон, железобетон с высокими требованиями по морозостойкости и коррозионной стойкости, легкие бетоны. Применение СНВ решает задачи получения бетонов высокой морозостойкости для конструкций жилых и административных зданий, гидротехнических, транспортных и промышленных сооружений.

Добавка СНВ в количестве до 0,1% от массы цемента в легких бетонах на пористых заполнителях сокращает расход цемента на 20-30%. При укладке таких бетонов отпадает необходимость применения пригруза при вибрации; использование СНВ в тяжелых бетонах классов В10-20 существенно улучшает удобоукладываемость бетонной смеси, позволяет экономить цемент при одновременном повышении морозостойкости бетона.

СНВ вводят в бетонную смесь в виде заранее приготовленного раствора; концентрация раствора, как правило, не должна превышать 2-5%. При применении в составе комплексных модификаторов СНВ во избежание коагуляции следует вводить отдельно от других добавок, в последнюю стадию перемешивания. При повышенных дозировках добавки из-за увеличения пористости наблюдается снижение прочности бетона.

Добавка хранится в закрытых помещениях, исключающих увлажнение продукта.

Второй, наиболее востребованной и эффективной, воздухововлекающей добавкой является смола древесная омыленная (СДО) - пастообразный продукт, по химическому составу близкий к смоле нейтрализованной воздухововлекающей. Получают СДО путем омыления древесной смолы щелочью. Поставляется в твердом виде в бумажных мешках. В зависимости от требуемого объема вовлекаемого воздуха дозировка добавки составляет 0,1-0,3%. Порошкообразную или пастообразную смолу древесную омыленную вводят непосредственно в смеситель через дозатор, добавляют воду и перемешивают раствор. Для ускорения процесса растворения добавки применяют воду, прогретую до 50°С. Добавку в жидком виде поставляют в металлической таре, насосом перекачивают через дозатор в смеситель. Через тот же дозатор подают воду и перемешивают раствор.

Концентрация рабочего раствора добавки должна быть в пределах 2-5% для возможности более точного дозирования. Объем рабочего раствора добавки определяется из условий обеспечения работы в течение смены или суток. Зависимость плотности раствора от концентрации сухого вещества добавки СДО приведена в руководстве по применению добавок. Использование смолы древесной омыленной в качестве воздухововлекающей и пластифицирующей добавки позволяет:

• снизить на 50–250 кг/м3 среднюю плотность бетона;
• применять для приготовления легкого бетона заданной плотности крупный заполнитель повышенной плотности или обычный строительный песок (вместо пористого);
• уменьшить расход пористых песков, снизить водопотребность смеси, улучшить деформационные и теплофизические свойства;
• улучшить удобоукладываемость бетона, сократить продолжительность формирования изделий, обеспечить уплотнение бетонной смеси, уменьшить ее расслоение при транспортировке и укладке формы;
• улучшить тепло- и звукоизоляционные свойства бетона;
• повысить морозостойкость бетонных изделий.

Смолу древесную омыленную применяют более 500 предприятий строительной индустрии в крупных городах. Смола СДО вырабатывается в виде плава, поставляется в бумажных мешках или в жидком виде (70-75%-ный раствор СДО). Рабочая концентрация применения - 10%-ный раствор СДО (плотность 1017 кг/м3). Поставляется в бочках по 250 кг и в канистрах по 6,25 кг.

Реже в качестве воздухововлекающих добавок для производства тяжелых морозостойких бетонов применяют: мылонафт, синтетическую поверхностно-активную добавку (СПД), омыленный древесный пек (ЦНИИПС-1) и другие.

Мылонафт - натриевые соли нерастворимых в воде органических кислот (ГОСТ 13302 «Кислоты нефтяные»), производится Краснодарским нефтеперерабатывающим комбинатом в виде пасты с содержанием сухого вещества не менее 70%, поставляется в деревянных или металлических бочках.

Синтетическая поверхностно-активная добавка (СПД) - водный раствор смеси натриевых солей высших жирных кислот, производимый Ангарским нефтеперерабатывающим комбинатом и поставляемый в железнодорожных цистернах в виде 40% водного раствора (дозировка в бетон от 0,005% до 0,025% от массы цемента в пересчете на сухое вещество).

Омыленный древесный пек (ЦНИИПС-1) - так же, как смола нейтрализованная воздухововлекающая, является продуктом целлюлозно-бумажной промышленности и применяется в тех же дозировках, производится Ветлужским Лесохимическим комбинатом в виде пастообразного продукта и поставляется в бумажных пакетах (получают нейтрализацией жирных кислот древесного пека едким натром).

Из зарубежных воздухововлекающих добавок можно выделить добавки серии Micro Air производства концерна BASF на основе синтетических смол. В отличие от обычной воздухововлекающей смолы (добавка СНВ) представляет собой добавку в жидком виде, что исключает необходимость ее растворения перед применением. Рекомендуемая дозировка 0,02-0,3 % готовой добавки от массы цемента. Технические характеристики добавки Micro Air приведены ниже:

• Внешний вид - жидкость голубого цвета;
• Плотность (при 20°С) 1,01±0,02 г/см3;
• pH (при 20°С) 11-13;
• Максимальное содержание хлоридов <0,1%;
• Максимальное содержание щелочей <1%;
• Срок хранения 1 год.