Основными конструктивными материалами современного капитального строительства являются бетон и железобетон, эффективность и качество которых неуклонно повышаются. Наилучшим способом улучшения свойств монолитного бетона является применение комплексных добавок. Это позволяет предположить, что химические добавки в современных условиях строительства становятся неотъемлемой составной частью бетонов [1]. В последнее время все больше стали применять полифункциональные модификаторы (ПФМ), которые содержат суперпластификатор и замедлитель схватывания. Разработка новых химических добавок, в частности суперпластификаторов, гидрофобно-пластифицирующих и различных полифункциональных комплексных добавок на их основе способствовала поднятию технологии монолитного бетонирования на новую ступень. Решение поставленных задач, связанных с разработкой комплексной добавки полифункционального действия, предполагает проведение анализа и сравнения эффекта действия известных добавок и разработанной добавки на бетонную смесь и монолитный бетон.
Проведенные исследования показали, что структура бетона не является постоянной и меняется как в результате физико-механических процессов, так и от воздействия внешней среды [1, 2]; твердение бетона в естественных условиях во взаимодействии с окружающей средой – сложный и противоречивый процесс, в котором упрочнение и разупрочнение материала протекает параллельно, накладываясь друг на друга.
Получение более полной информации о процессах происходящих в бетоне происходит путем проведения различных исследований как самого бетона, так и внешних факторов, действующих на него. Так при строительстве фундаментов на бетон, уложенный в конструкции, воздействие оказывает переменный уровень грунтовых вод, насыщенных различными минеральными солями. Ранний контакт свежеуложенного бетона с растворами солей приводит к тому, что в процессе твердения происходит его растрескивание и последующее разрушение.
Действие внешней среды на бетон, твердеющий в таких условиях, по характеру можно отнести к коррозионным, поскольку диффундирование вовнутрь бетона различных веществ будет неоднозначно, как по интенсивности действия, так и по продолжительности.
Обеспечить защиту бетона в такой среде очень трудно. Во-первых, нужно защищать бетонную смесь с момента укладки до момента затвердевания. Во-вторых, возможно использовать только те добавки, применение которых в комплексе не ухудшает свойств бетона.
Ряд авторов [3, 4] отмечают, что путем гидрофобизации бетона можно повысить его защитные свойства по отношению к действию растворов различных солей. Это обстоятельство послужило решающим фактором в выборе гидрофобизатора в качестве основного модификатора свойств монолитного бетона, повышающего его солестойкость. При этом учитывалось, что применение гидрофобизатора вызывает полифункциональный эффект в модифицированном бетоне. Например, повышается связность бетонной смеси, улучшаются адгезионные свойства, снижается водоотделение; в бетоне регулируется равномерное распределение пор, снижается капиллярный подсос и водопоглощение, повышается его прочность и морозостойкость.
Применение гидрофобизирующих добавок приводит к появлению отрицательных свойств у бетонной смеси и бетона. В бетоне наблюдается снижение прочности при повышении дозировки добавки, когда требуется обеспечить усиление защитного эффекта. Еще один недостаток проявляется в слабом пластифицирующем действии и в замедленном твердении бетонной смеси [1, 4, 5].
Важным шагом в химической технологии бетона явилась разработка комплексных добавок, включающих в свой состав гидрофобизатор и пластификатор. К ним можно отнести такие добавки, как комплексная органическая добавка (КОД), битумная металлорганическая дисперсия (БМД), названные по основному эффекту действия гидрофобно-пластифицирующими.
Недостатками гидрофобно-пластифицирующих добавок являются замедленные сроки схватывания и темп роста прочности бетона, кроме того, бетонная смесь обладает недостаточно высокой подвижностью. Дальнейшее совершенствование таких добавок осуществлялось путем введения в их состав дополнительных компонентов, которые позволяют значительно сокращать негативное действие на бетон. В качестве дополнительных компонентов в состав гидрофобно-пластифицирующих добавок наиболее часто включают различные соли неорганических кислот: нитрит натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция, сульфаты и карбонаты щелочных металлов и др. [5]. Одним из эффектов, который удается реализовать таким образом, является взаимное усиление действия компонентов на различные физико-технические свойства бетонной смеси и бетона (эффект синергизма).
Анализ научных исследований, посвященных созданию комплексных добавок полифункционального действия смесевого типа, позволил сформулировать основные критерии выбора компонентов в состав добавки для монолитного бетона, это:
– высокая индивидуальная эффективность в бетонной смеси и бетоне;
– совместимость компонентов в составе добавки;
– технологическая возможность получения комплексной добавки в различной отпускной форме (порошки, гранулы, брикеты);
– соответствие свойств модифицированного добавкой монолитного бетона предъявляемым требованиям;
– получаемая добавка должна соответствовать санитарным нормам.
Принимая во внимание требования, предъявляемые к монолитному бетону, наилучшим решением будет использование следующих компонентов: гидрофобизатор – соапсток, пластификатор – суперпластификатор С-3 и ускоритель твердения – тиосульфат натрия. Для получения добавок в виде порошков или гранул дополнительно применяют золу-унос сухого отбора [6].
Важным свойством соапстоков является их способность к высыханию с течением времени и образованию на поверхности тонких пленок. Адсорбируясь на активных центрах гидратирующей системы, они препятствуют кристаллизации на ее поверхности других солей.
Наиболее изученным, получившим широкое распространение суперпластификатором, в настоящее время является суперпластификатор С-3, полученный на нафталиноформальдегидной основе. В отличии от технических лингосульфонатов (ЛСТ) и добавок на основе конденсации карбоновых кислот нафталиноформальдегидные соединения не замедляют твердения в ранние сроки, позволяют сократить на 20…30 % количество воды затворения. Кроме того, значительное сокращение В/Ц приводит к более интенсивному твердению бетонов на шлакопортландцементах, что позволяет широко применять их в монолитном строительстве. В состав комплексной добавки полифункционального действия был отобран суперпластификатор С-3, являющийся эффективным разжижителем бетонных смесей [7, 8].
Негативное влияние гидрофобизатора на начальные сроки твердения бетона устраняется путем применения интенсификатора твердения тиосульфата натрия. Данный бесхлоридный ускоритель твердения при дозировках больше 1,5 % массы цемента позволяет получить проектную прочность бетона через 1…3 суток [1, 5]. Следует отметить, что тиосульфат натрия оказывает активирующее действие на частицы цемента и способствует повышению его гидравлической активности. Исследования на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) позволили установить, что присутствие в цементном камне тиосульфата натрия приводит к диспергированию шлаковых зерен и образованию с цементными гидратами совместных соединений. Это позволяет получать дополнительный прирост прочности бетона на 15…20 % выше проектной.
Таким образом, путем лабораторных и теоретических исследований в состав разрабатываемой добавки (СС-3ТН) для монолитного бетона были отобраны следующие компоненты: пластификатор – суперпластификатор С-3, гидрофобизатор – соапсток растительных масел и ускоритель твердения – тиосульфат натрия. Составы добавок, получаемых в различной отпускной форме, приведены в таблице.
С целью определения оптимального соотношения компонентов были проведены рекогносцировочные опыты на бетонной смеси состава: шлакопортландцемент – 410 кг/м3; щебень фракций 5…20 мм – 940 кг/м3; песок – 860 кг/м3; В/Ц = 0,44. В процессе исследования установлено индивидуальное влияние каждого из компонентов на подвижность бетонной смеси и прочность бетона естественного твердения через 28 суток. Влияние добавок на указанные параметры показано на рис. 1–4.
Составы гидрофобно-пластифицирующих добавок различной отпускной формы
|
Наименование компонентов |
Соотношение компонентов в составах, мас. % |
||
|
жидкий продукт СС-3ТН |
мылобрикет МБ-СС-3ТН |
гранулы ГД-СС-3ТН |
|
|
Суперпластификатор С-3 |
6…14 |
14…24 |
1…4 |
|
Соапсток растительных масел |
2…9 |
4…14 |
1…3 |
|
Тиосульфат натрия |
19…44 |
69…54 |
6…12 |
|
Зола-унос |
– |
– |
90…79 |
|
Вода |
73-33 |
13…8 |
1…2 |
а) 
б)
Рис. 1. Влияние дозировки исходных компонентов добавки СС-3ТН: а) подвижность бетонной смеси; б) прочность бетона; 1 – суперпластификатор С-3; 2 – соапсток
а) 
б)
Рис. 2. Влияние дозировки ускорителей твердения: а) подвижность бетонной смеси; б) прочность бетона; 1 – тиосульфат натрия; 2 – сульфат натрия
Рис. 3. Влияние дозировки добавки СС-3ТН на подвижность бетонной смеси; 1 – бетонная смесь с С-3; 2 – бетонная смесь с СС-3ТН
Рис. 4. Влияние дозировки добавок на прочность бетона; 1 – с добавкой С-3; 2 – с добавкой СС-3ТН
Результаты опытов показывают, что оптимальное количество каждого из компонентов распределилось следующим образом: суперпластификатор С-3 (0,5…0,8 %), соапсток растительных масел (0,15…0,3 %) и тиосульфат натрия (1…4 %) от массы цемента, это свидетельствует о том, что между выбранными компонентами отсутствует конкурирующее действие, однако это можно подтвердить более точно при исследовании их совместимости между собой.