Влияние воздухововлекающих добавок на свойства бетона

При подготовке любой бетонной смеси особое внимание следует уделять такому важнейшему фактору, как воздухововлечение в раствор. Именно наличие воздуха в бетонном растворе определяет во многом его качественные характеристики, включая и долговечность готового изделия. В строительстве используют особые средства для достижения оптимального показателя, который определяется количеством, диаметром и расстоянием между воздушными пузырьками. 

Эти спецдобавки называют воздухововлекающими наполнителями. Простейшим наполнителем, знакомым всем, является обыкновенный песок, но профессиональные бетонщики используют большое количество специализированных веществ. В данной статье мы рассмотрим, насколько велико влияние процесса воздухововлечения на потребительские характеристики бетона.

Сущность процесса воздухововлечения

Процедура вовлечения воздуха выполняется, когда смесь перемешивается, при этом добавка только оптимизирует расположение воздушных пузырьков, которые образуются в растворе при перемешивании. Здесь имеют место две фазы. В одной происходит захватывание воздуха с перемешиванием, который после этого распределяется на пузырьки с меньшими размерами, когда наступает время для активации сдвиговых нагрузок, обусловленных конструктивными особенностями миксеров. 

Во второй фазе, где задействован наполнитель, обусловленной пространственным заслоном, необходимым при захватывании и фиксирования воздушных сфер при образовании смеси раствора. Можно отметить, что здесь терминология «воздухововлекающая добавка» не совсем себя оправдывает, поскольку при формировании смесей в них попадает воздух, объём его обусловлен особенностями миксации и вышеуказанными функциональными наполнителями.

Функции воздухововлекающих добавок

Главная функция воздухововлекающей добавки – увеличение объемной доли воздушных пузырьков, если сравнивать с приготовленными без спецдобавок и со снижением размеров. Иначе говоря, нужно различать понятие воздухововлечение как название процедуры с системой воздушных пористых элементов (их объем и структуру размещения по габаритам), учитывая, что эти спецдобавки снижают физические габариты пузырьков и помогают им сохраниться в растворах.

Воздухововлекающие наполнители помогают в стабилизации пузырьков за счет процесса адсорбции, происходящем на их внешнем слое. Молекулярная структура ПАВ ориентирована за счет полярно ориентированных структур в сторону воды, а диполярные обеспечивают ориентирование на пузырьки, которые при одновременной зарядке начинают отталкивать друг друга, обеспечивая их целостность. Структура работы этого процесса соответствует воздействию ПАВ.

Второе, что обеспечивают данные спецдобавки – ориентацию на межфазных границах между водой и пузырьками с показателем толщины, сравнимом с несколькими молекулярными соединениями, собранными в подобие «забора». Это влияет тоже на стабилизацию пузырьков. Этот механизм также «включается» при применении неионогенные типов ПАВ, когда на внешней стороне пузырей не формируются одинаково заряженные частицы. Есть мнение, что это и обуславливает недостаточный воздухововлекающий эффект неионогенных элементов, когда с ними пузырьки становятся больше по размеру, чем с использованием ионогенов.

Особенности воздухововлекающих добавок

Исходя из названия, понятно, что для этих добавок главным критерием становится возможность вовлекать воздух в раствор, чтобы обеспечить максимальное и оптимальное насыщение бетона, но в основе своей все добавки обладают рядом свойств, которые позволяют готовить разные типы цементных растворов, исходя из их технической направленности. 

ПАВ с функцией воздухововлечения при сорбации на уровне границ раздела воздуха с жидкостью уменьшат показатель поверхностного натяжения, что, в итоге, увеличивает термодинамический стабилизирующий фактор за счет снижения склонности к их коалесценции. Также, когда снижается эта величина, за счет ПАВ можно диспергировать большие пузырьки с меньшими усилиями. 

Так как способностью воздушных пузырьков является возможность всплывать наверх, это формирует тенденцию терять жизнестойкость прямо пропорционально их кубическому размеру, снижение размера диаметра пузырей обеспечит им большую жизнестойкость.

Формирование слоя адсорбции способствует увеличению прочностных характеристик пузырьков от деформирования вследствие эффекта Марангони, заключаемом в способностях деформировавшихся пузырей восстанавливать формы при снижении толщины адсорбентного уровня и локального роста поверхностного натяжения. Такой же механизм работает в стабилизации пены.

Другим критерием, обуславливающим воздухововлекающий эффект анионактивных ПАВ, можно назвать их выпадение в осадок из-за жидкой среды раствора. Практическое значение обусловлено гидроксидом кальция, который формирует труднорастворимый тип кальциевых солей, потому что через короткое время смесь перенасыщается. 

Так как после абсорбирования уровень концентрации добавки на внешнем слое пузырей превышает внутренний, то это говорит о том, что соляные пленки соли отличаются должной толщиной и упругостью для сохранения пузырей от коалесценции. Этот эффект помогает стабилизировать пену, когда используют еще и органические коллоиды, формирующие на пузырьках прочную пленочную структуру.

Из вышесказанного легко сделать вывод, что если с труднорастворимыми солями связан весь арсенал спецдобавок, то их уже не останется в жидкой фазе, способных понизить поверхностное натяжение. В данной сфере не проводилось больших научно-практических исследований, а так как число экспериментов было невелико, этот вопрос еще служит предметом дискуссий. Одни исследователи согласны, что от этих наполнителей не нужно требовать снижение поверхностного натяжения жидкой фазы, а другие уверены, что нужно оставлять определенный объем несвязанных добавок, чтобы обеспечить нормальное воздухововлечение.

Нужно знать, что большая часть спецдобавок – это микс из ПАВ, одна часть из которых связана труднорастворимыми веществами, а вторая представлена в виде жидкости и понижает натяжение. Также, отметим, что неионогенные и катионактивные соединения, не образующие труднорастворимые вещества, помогают процессу воздухововлечения. Это же можно отметить и в связи с анионактивными веществами с растворимыми типами кальциевых солей. Можно заявить, что структура, формирующая труднорастворимую пленку на пузырях, не обладает большим значением в процедуре вовлечения.

Другой способ стабилизации пузырьковой структуры – абсорбирование ПАВ на цементных элементах. После контактирования с жидкостью цементная пыль покрывается экранирующим слоем гидратационных продуктов, которые формируют период индукции при гидратировании.

Созданные путем гидратации вещества заряжены положительно. Когда пузырьки образовались, то в дело вступают другие процессы, оказывающие влияние на финальное формирование структур пор в застывшем растворе, -– распад пузырей и их диффузионный перенос.

Можно отметить, что показатель давления в небольших пузырях может быть существенным. С учетом пропорциональности растворимости газов к их давлению, концентрация воздуха в жидкой фазе около небольших пузырей больше, чем около крупных. За счет этого формируется диффузионное перемещение газа с учетом их градиента концентрации. Это определяет тот факт, что самые маленькие пузыри исчезают. Примерные расчеты, с использованием закона Генри с коэффициентом распределения Генри по растворению воздуха в воде, показали, что средний размер пузырьков составляет 4 микрометра.

Ряд факторов, обусловливающих объём воздуха в бетоне

Как выше было сказано, общая массовая доля воздуха – не относится к потребительски важным характеристикам его морозоустойчивых свойств, но только она становится единственно возможным фактором для раствора. К числу самых важных признаков можно отнести показатель расстояния от одного пузырька до другого – чем он меньше, тем более долговечным будет бетон.

Дозирование наполнителей. Чем больше содержание добавки, тем больше будет объемная доля воздуха в бетонах, но в этом случае необходимо осуществлять строгий контроль, чтобы не нарушить нормативы.

Осадка конуса. Чем она выше, тем больше будет вовлечение воздуха.

Воздействие крупных наполнителей – когда увеличен размер частиц добавки, то воздух в бетоне уменьшается.

 

Воздействие мелких наполнителей – они помогают вовлекать воздух, служа своеобразными захватчиками воздуха и могут его удерживать. Оптимальное вовлечение обеспечат фракции песка 150-600 микрон. Песок относится к самым важным факторам вовлечения, что обуславливает строгий контроль за его качеством.

Высокодисперсные вещества – зола с прочими минеральными добавками и песочная пыль уменьшают вовлечение воздуха, что требует использование дополнительных воздухововлекающих ПАВ. Влияние этих материалов вызывает повышенную потребность в воде, чтобы их смачивать, а также на них сорбируется множество молекул добавок для воздухововлечения, оба этих причины снижают качество бетонной смеси, поэтому нужна компенсация данными добавками.

Такие же проблемы вызывает и загрязненный песок, поскольку с ним необходимо использовать добавки. Жирные бетонные смеси, в которых много высокодисперсного цемента также будут вовлекать мало воздуха.

Температурные влияния. С ростом температуры смеси количество воздуха в ней уменьшается.

Влияние иных наполнителей. Если вводить лигносульфанаты для пластификации или замедления застывания цемента, то воздухововлекающих добавок нужно меньше. Хлорид кальция повысит воздух в комплексе с другими воздухововлекателями, но незначительно. Его нужно использовать отдельно от других спецдобавок.

Особенности химсостава цемента. Высокощелочной цемент быстрее вовлекает воздух, ему нужно меньше добавок, но необходимо следить за показателем расстояния между пузырями.

Иногда цемент может быть загрязнен масляной или иной посторонней примесью, что может уменьшить/увеличить воздухововлечение. Этим объясняется разница воздухововлечения при подготовке смеси из одинакового сорта цемента.

Способы и особенности перемешиваний. Когда увеличивают скорость перемешивания, то одновременно с ней увеличивается и объемная воздушная масса, в определенные моменты она может преодолеть отметку допустимой нормы. Если увеличить срок перемешивания, то это вначале вызовет небольшое повышение воздуховлечения, но в дальнейшем оно вызовет понижение воздуха в растворе, причем максимальный уровень наступит тем ранее, чем менее первоначальная осадка конуса. Снижение наличия воздуха при долгой миксации, скорее всего, можно объяснить тем, что в это время уменьшается подвижность смеси.

Загрязненные лопасти миксера, включая и застывшие частицы бетона, уменьшат содержание воздуха, так же, как и бетономешалка, работающая с перегрузками.

Вибрирование раствора. Процесс вибрации снизит объемную долю воздуха, так как он способствует превращению отдельных пузырей в один. Достаточно долгая вибрация несильно изменит показатель расстояния, но воздуха при этом будет меньше. Этот момент нужно учесть, если необходимо на выходе получать прочный бетон без расслаивания в смеси.

Подготовка раствора с определенным содержанием воздуха

1. Пузырьки воздуха повысят показатель подвижности смесей, что обеспечит его равномерное распределение укладку.

 

2. Воздушные пузырьки снизят прочность бетона, что является существенным фактором, если этот показатель играет большое значение в том или ином случае.

Так как повышается подвижность, то воды можно использовать меньше, чтобы сохранить неизменной размер конусной осадки. Если нужно подбирать техсостав бетонов способом абсолютных объемов, то нужно уменьшить содержание мелких наполнителей. В случае насыщенных или особо крепких типов бетона увеличение их прочности за счет снижения отношения воды к цементу перекроет снижение из-за вовлечения воздуха, а если смесь «тощая» - то обратный эффект. 

Можно отметить, что если подбирать состав бетона, то нужно иметь в виду, что расход цемента будет повышенным. В конечно итоге все зависит от конкретных поставленных задач и технических условий, при которых будет использоваться готовый бетонный раствор.

Влияние процесса воздухововлечения на характеристики бетонного раствора. Благодаря этому процессу повышается показатель подвижности смесей, улучшается его технологичность, которая выражается в том, что раствор будет проще перевозить, класть и выполнять формовку без распада на отдельные слои. Данный фактор вызывается воздействием воздушных пузырьков, общее число которых достигает 250 тыс на один кубический сантиметр цементного раствора.

Ряд реологических показателей смесей измеряют с использованием пластической вязкости и других существенных параметров. Но на настоящий момент собрано недостаточно данных о том, какое воздействие на них оказывает воздух. Показатель удобообрабатываемости под влиянием воздухововлечения увеличивается у любой бетонной смеси, но особенно сильно он проявляется, когда работа идет со смесями жесткого типа, основанных на естественных облегченных наполнителях.

Водоотделение и расслоение. Когда в растворах присутствует воздух, то это способствует уменьшению риска расслоения и водоотделения. При этом разделение твердой фазы приводит к появлению проходов, локализованных вертикально и наполненных водой. Иногда отделившуюся воду можно обратно ввести в раствор в процессе укладки, но чаще из-за этого формируется твердая корка, под которой собирается вода. Эти каверны ослабляют бетон. Чтобы решить эту задачу, имеющую важнейшее значение, и вернуть воду в раствор, используется воздухововлечение.

Процесс сегрегации, расслоения, происходит, когда разделяются твердые частицы из-за различия в размерах гранул их компонентов. Это обусловлено транспортировкой или способом хранения смеси. Введение воздуха снижает риск расслоения, но данный способ не нужно считать основным приемом для избавления от расслоений. Детально механизмы, ответственные за положительные аспекты воздействие введения воздуха на расслоение, исследователями еще не рассматривались и пока нет точного ответа, чем это можно объяснить. 

Скорее всего, пузырьки воздуха, которые вводятся под влиянием ПАВ, повышают когезию и гомогенизируют малоустойчивые растворы. Также они служат для повышения их жизнестойкости, снижая склонность к распаду на слои. Также эти пузырьки, занимающие до 25% от общего объема цементного теста, могут уменьшить распад на слои и водоотделение, то есть работают аналогично песочным частицам. Но с учетом того, что адсорбционные пленки ПАВ затормаживают осушение пены, введению воздуха отдается большая роль, чем песок.

Введение воздуха и отделка. Бетонные растворы, которые включают воздух, введенный посредством добавки, чаще всего намного проблематичнее подвергать отделочным работам, поскольку они отличаются увеличенной вязкостью и выделение воды в них снижено. Но с помощью соответствующего инструмента с ними можно выполнять любые работы по отделке без затруднений. Также нужно учесть, что при снижении риска отделения воды, выполнять эти процессы можно гораздо проще, а внешний слой на поверхности прослужит длительный период. Отметим, что введение воздуха не оказывает влияния на сроки схватывания цемента.

Как определить содержание воздуха в бетоне?

Есть 3 практических способа, с помощью которых можно найти этот показатель:

  1. гравиметрия
  2. давление
  3. волюметрия

 

Гравиметрический способ основан на взвешиваниях контрольного образца для установления плотности. Показатель химсостава раствора с истинной плотностью его элементов может дать определение доли воздуха. Этот метод редко применяют в полевых условиях.

Второй способ, который базируется на известном законе Бойля, пользуется более широкой популярностью. Пробу заливают в емкость, объединенную трубкой с другим отсеком, где создается определенное давление. Показатель падения давления обусловлен воздухововлечением в опытном образце – манометр настраивают так, чтобы его показатели соответствовали воздуху в образцах.

К недостатку этого способа является тот факт невозможности разделения разных «воздухов» из раствора и заполнителей. Чтобы это компенсировать, вводят коэффициент на поправку, его вычисляют до основных измерений, размещая в контейнере лишь добавочные материалы. Погрешности этого коэффициента в работе с пористыми наполнителями весьма серьезны, поэтому методика чаще практикуется к бетонам легкой формации.

Волюметрическая методика выполняется таким образом – пробу фиксируют вверху емкости, а нижнюю его часть, обладающую формой конуса, наполняют водой до отметки. Потом контейнер трясут, а изменение уровня покажет, как рассчитать количественное значение воздуха. Методика пригодна для нахождения величины воздуха и в легковесном бетоне.

Есть и облегченная версия этого метода, которая базируется на той же принципиальной технике, но образчики бетона берут из растворной части, взятой из бетона. При этом масса пробы не превышает нескольких кубических сантиметров. Методологически тут предусмотрено калибрование на основе нормативного образца раствора, извлеченного их смеси. Так как пробы для анализа отличаются от тех, которые брали для калибровки, то этот метод не такой точный и выдает довольно размытые значения, но его положительный момент – оперативное измерение, которое порой необходимо выполнить в короткие сроки.

Также есть вариация волюметрического метода, в которой используют ввод небольших объемов спирта в воду, чтобы погасить пену и повысить точность вычисления. Но жидкость для волюметрии не должна быть на основе спирта, так как он реагирует на воду при перемешивании, что ведет к систематическим ошибкам – определение более повышенного объема воздуха в пробах.

Мы уже отмечали выше, на практике воздухововлечению не всегда уделяют должное внимание и не считают его серьёзным потребительским показателем. Есть и много других критериев, которые намного важнее, но их можно определять только в уже застывшем бетоне, например, габаритные размеры структурных элементов в добавках с их соотношением. Тем не менее, не следует забывать о том, что именно этот процесс ответственен за качество и прочность результата работы по формированию готового бетона.

Статьи по теме: