Рис. 1. Пузырьки воздуха в смеси, состоящей из воды, воздухововлекающей добавки и частиц песка различных размеров (слева частицы размером 0,3— 0,6 мм, справа—0,15—0,3 мм

Цементы без воздухововлекающих добавок также удерживают некоторое количество воздуха, как можно установить при испытании их по стандартному методу АСТМ С-185. Колйчество удерживаемого воздуха составляет в среднем около 7%, но оно может колебаться от 3—4% у одних цементов до 10—12% у других. Чаще всего причина этого расхождения неизвестна.

Существует очень быстрый и простой способ определения содержания воздуха в портландцементе. Растворную смесь, состоящую из 225 г песка и 75 г цемента, затворяют 45 мл воды в 500-мл стакане и перемешивают лопаткой в течение 30 сек. После окончания перемешивания переносят раствор в обыкновенную кружку емкостью около 150 мл, уплотняют и взвешивают. Содержание воздуха рассчитывают по уравнению:

Этот метод не заменяет стандартного метода АСТМ С-185, поможет применяться как ускоренный для целей контроля.

Итак, песок является главным фактором, определяющим воздухововлечение, и изменения в содержании песка могут вызвать необходимость в существенном изменении количества вводимой воздухововлекающей добавки. Но при изготовлении бетона с воздухововлекающими добавками необходимо учитывать и характеристики применяемого цемента. Известны случаи, когда свойства цемента заставляли на 75% изменять количество вводимой воздухововлекающей добавки.

На количество вовлекаемого воздуха могут влиять и другие добавки, вводимые в цемент или бетон. Например, сажа, применяемая в ряде мест для окраски бетона, требует увеличения количества воздухововлекающей добавки, в противном случае содержание воздуха в бетоне уменьшится и долговечность его понизится. Чтобы компенсировать уменьшение содержания воздуха, вызываемое сажей, к последней необходимо добавить воздухововле-кающее вещество.

Выше уже указывалось, что летучая зола, которая все шире применяется как добавка к портландцементному бетону, также может оказать большое влияние на количество вводимого возду-хововлекающего вещества. Даже при малом содержании угля в летучей золе требуется удвоить дозировку воздухововлекающей добавки, не говоря уже о золе с высоким содержанием угля.

Хлористый кальций, который, как известно, ускоряет твердение в раннем возрасте и облегчает зимнее бетонирование, также уменьшает и ограничивает воздухововлечение.

В настоящее время наблюдается тенденция к использованию пеноуничтожающих добавок для уменьшения или ограничения содержания воздуха в бетоне. Эти добавки вводятся при помоле цемента или при затворении бетона. Примером такой добавки может служить трибутилфосфат, вводимый в очень небольших количествах. Трибутилфосфат действует избирательно: он прекращает или уменьшает воздухововлечение, когда вводится с одними воздухововлекающими добавками, но не оказывает никакого действия на другие добавки. Правильно выбрать пеноунич-тожающую добавку можно только опытным путем.

Имеются и другие факторы, которые следует учитывать при введении воздухововлекающих добавок. Они хотя и менее важны, чем указанные выше, но должны приниматься во внимание. Например, пластичность бетона, измеряемая осадкой конуса, также влияет на количество вовлеченного воздуха при данной дозировке воздухововлекающей добавки. В общем виде можно считать, что количество вовлеченного воздуха возрастает до величины осадки конуса 15 см. При большей осадке конуса, по мере увеличения количества воды в бетонной смеси, воздух становится менее стабильным и постепенно исчезает. Заметное влияние на степень воздухововлечения оказывает и изменение температуры. Обычно чем ниже температура, тем больше вовлекается воздуха. Даже тип бетономешалки может повлиять на возду-хововлечение. Такие факторы, как изношенность мешалки, конструкция лшаетей и др., могут отразиться на количестве вовлеченного воздуха. Жесткость воды затворения также влияет на воз-духововлечение: оно уменьшается по мере увеличения жесткости воды. Наконец, следует учитывать и такой важный фактор, как длительность перемешивания. При недостаточном перемешивании требуется вводить больше добавки.

Все эти факторы оказывают сравнительно слабое влияние, но пренебрегать ими нельзя.

Измерение и контроль содержания воздуха

В первое время измерение количества вовлеченного воздуха в свежеизготовленном растворе или бетоне производилось гравиметрическим методом (стандарт АСТМ С-185). При этой методике необходимо знать удельный вес и влажность применяемых заполнителей. На основе имеющихся данных можно рассчитать теоретический вес смеси, сравнить его с фактическим и таким образом получить содержание воздуха. Однако, поскольку величина удельного веса и другие факторы могут изменяться, метод АСТМ является лишь приблизительным. Поэтому для определения фактического количества вовлеченного воздуха разработаны два других метода.

Первый из них — это прямой объемный метод, основанный на форсированном удалении воздуха из образца пластичной смеси. Он представляет ценность в тех случаях, когда требуется измерить количество вовлеченного воздуха в смеСях, содержащих пористые заполнители или заполнители с различными удельными весами. Иногда при этом методе требуется применить пеноунич-тожающие добавки, например изопропиловый спирт, чтобы сделать возможным определение объема вовлеченного воздуха. Для определения содержания воздуха по этому методу служит прибор роламетр, изображенный на рис. 39, а.

Другой метод, пожалуй, наилучший из существующих, основан на том, что образец пластичной смеси, помещенный в герметически закрытый сосуд, подвергается определенному давлению, причем степень сжатия образца измеряется либо по изменению объема, либо по изменению давления системы. Как и в предыдущем случае, определение содержания воздуха по методу давления совершенно не зависит от удельного веса компонентов смеси. Но смесь должна быть настолько пластичной, чтобы приобрести подвижность в результате давления.

Для применения этого метода созданы два прибора: прессур-метр и воздухомер Акме, изображенные на рис. 39, б и е. В воздухомере Акме уменьшение объема системы под давлением регистрируется по опусканию уровня воды в водомерном стекле. Объем воздуха легко рассчитать на основе закона Бойля по отношению объема газа при данной температуре к его давлению. Прессурметр работает примерно по тому же принципу, но основой для расчета содержания воздуха в смеси под давлением служит уменьшение давления определенного объема воздуха при расширении его в сосуде с образцом. Прессурметр требует лишь небольшого количества воды, в то время как для испытания с помощью воздухомера Акме нужно довольно много воды.

Оптимальное количество вовлеченного воздуха

Рекомендуемое количество вовлеченного воздуха в бетоне является функцией трех факторов:
1) конечного назначения бетона, 2) предельной крупности зерен заполнителя и 3) жирности смеси. Считают, что содержание воздуха в бетоне должно составлять от 3 до 6%.

При изготовлении бетона для дорожного строительства стремятся увеличить содержание воздуха. Обычно оно составляет в таком бетоне от 4 до 7%. Увеличение количества вовлеченного воздуха имеет целью добиться максимальной долговечности бетона (с точки зрения его морозостойкости). В других случаях, например, при укладке бетонных покрытий в зданиях, содержание воздуха, очевидно, не должно превышать 4%, так как здесь не нужна особая морозостойкость, а 4% воздуха обеспечат необходимую удобообрабатываемость, меньшее водоотделение и хорошую отделку поверхности без появления на ней воздушных пузырьков. При избыточном воздухововлечении интенсивная затирка бетона может привести к образованию вздутий на его поверхности. Но это чисто поверхностное явление, не затрагивающее основной массы бетона. И если рассуждать объективно, то будет весьма целесообразно и правильно ограничить- содержание воздуха пределом в 3 ± 1%. Прочность бетона на истирание не ухудшается при содержании воздуха до б0/).

Для железобетона с довольно высоким расходом цемента предел содержания воздуха также составляет от 3 до 4%. При этом количестве воздуха железобетон характеризуется хорошей удобообрабатываемостью, пониженным водоотделением и нормальной прочностью.

Оптимальное содержание воздуха в бетоне определяется и предельной крупностью зерен заполнителя. Обычно чем крупнее заполнитель, тем меньше воздуха нужно для получения желательных результатов. Например, в массивном бетоне, содержащем галечный заполнитель размером до 15 см, содержание воздуха может не превышать 2,5—3%. Но в таком же бетоне с заполнителем размером не больше 3,75 см количество воздуха может достигать 6—7%. Если предельная крупность зерен заполнителя составляет 9,5—12,7 мм, бетон будет хорошо служить при содержании воздуха до 8 и даже 9%. В растворах, содержащих песок с предельной крупностью зерен 0,76 мм, нормальное количество воздуха будет равно 16—20%. Рекомендуемое содержание воздуха в бетоне в зависимости от размеров заполнителя и других факторов приведено в табл. 32.

Другой переменной величиной при определении оптимального количества воздуха в бетонной смеси является расход цемента. Жирная смесь требует меньше воздуха, чем тощая. В связи с более высоким содержанием цемента жирная смесь более пластична и долговечна, чем тощая смесь, даже без воздухововлечения. Кроме того, присутствие воздуха в жирной смеси (например, с расходом цемента 400 кг/м3) может оказать отрицательное влияние на прочность, несмотря на уменьшение содержания воды в результате возросшей пластичности.

При всех указанных выше отклонениях предельное содержание вовлеченного воздуха в бетоне должно составлять от 3 до 6%. Этот широкий предел вполне достаточен для различных условий, исключая, может быть, бетон с заполнителем, предельная крупность зерен которого лежит между 9,5 и 12,7 мм. Но, пожалуй, его неправильно даже называть бетоном; это скорее модифицированный раствор с более крупным, чем обычно, песком.

Иногда строительство ведется в таких районах, где имеется только один вид заполнителя, пригодного для изготовления бетона, и где нет возможности без больших затрат достать заполнитель другого размера. В этих случаях, если заполнитель плотный необходимо ввести дополнительное количество воздуха, чтобы предупредить водоотделение. Но при расчете состава бетона лучше увеличить расход цемента. на 25—30 кг/м3, ограничив верхний предел содержания воздуха, например, 6%. Хотя воздухововлечение играет большую роль в получении хорошего и более долговечного бетона, однако нельзя забывать, что основным компонентом бетона все же является портландцемент.

Влияние воздухововлечения на цементное тесто, раствор и бетой

Одним из ценнейших свойств бетона с воздухововлекающимп добавками при применении его в районах, где морозостойкость не играет большой роли, является его превосходная удобоукладывае-мость. Так, удобоукладываемость бетона с воздухововлекающимп добавками, имеющего осадку конуса 7,5 см, лучше, чем у бетона без добавок с осадкой конуса 15 см. Эта повышенная удобоукладываемость бетона при меньшей усадке конуса не учитывается обычно строителями, хотя она доказана на практике многими опытными бетонщиками. Значительно более низкое водо-цемент-ное отношение, которое может быть взято.для получения бетона равной удобоукладываемости, является серьезным преимуществом воздухововлечения.

Повышенная удобоукладываемость бетона с воздухововлекаю-щими добавками обусловливает меньшее расслоение и большую однородность его. Пористость правильно рассчитанного и хорошо уложенного воздухоудерживающего бетона незначительна. Водоотделение прекращается или значительно уменьшается.

Чтобы лучше понять механизм действия воздухововлечения на удобоукладываемость, необходимо представить себе влияние воз-духововлекающих добавок на твердые компоненты портландце-ментного бетона.

Если чистое портландцементное тесто затворяют в присутствии воздухововлекающей добавки, оно вовлекает некоторое количество воздуха при умеренном перемешивании, которое близко по своей продолжительности к перемешиванию бетона в бетономешалке. Но вовлеченный воздух не повышает пластичности теста, а наоборот, может даже вызвать некоторое загустевание его. Этим объясняется, почему бетоны с высоким расходом цемента требуют большей дозировки воздухововлекающей добавки, чем тощие бетонные смеси. По этой же причине, очевидно, мелкий заполнитель размером меньше 0,07 мм препятствует вовлечению воздуха: частицы этого заполнителя по размерам близки к зернам цемента.

Конечно, если в портландцемент вводится избыточное количество воздуха, т. е. в несколько раз большее, чем необходимо, чтобы бетон из этого цемента содержал от 3 до 6% воздуха, и если перемешивание происходит слишком быстро, в несколько раз быстрее, чем обычно при изготовлении бетона, то цементное тесто будет содержать большое количество воздуха. Практически в твердеющее цементное тесто можно ввести столько воздуха, что образец этого теста будет плавать на поверхности воды.

С другой стороны, если ввести в жесткую смесь мелких заполнителей и воды воздухововлекающую добавку в количестве, обычно вводимом в бетон, и подвергнуть смесь соответствующему перемешиванию, она приобретет значительную текучесть, которая показывает, что воздухововлекающая добавка по-разному действует на песчано-водную смесь и на цементное тесто. Это положение иллюстрируется рис. 40. Опыты такого рода были впервые поставлены Кеннеди. Микроскопические пузырьки воздуха, по-видимому, смазывают мелкий заполнитель, ослабляя контакт между зернами песка и тем самым уменьшая взаимодействие между частицами до минимума. Пузырьки воздуха служат как бы шарикоподшипниками, на которых могут скользить частицы заполнителя.

Из сказанного очевидно, что при повышенном содержании цемента действие воздухововлекающей добавки в бетоне прекращается и что воздухововлечение, а следовательно, повышение пластичности и уменьшение водо-цементного отношения зависят в основном от действия добавки на мелкий заполнитель. Как показали исследования, материал размером от 0,06 до 0,15 мм больше всего способствует воздухововлечению. Частицы заполнителя размером от 0,15 до 1,2 мм несколько уменьшают воздухововлечение, а более крупные зерна заполнителя почти совсем не способствуют воздухововлечению. На рис. 37 приведены микрофотографии воздушных пузырьков, образовавшихся в смеси песок — вода в результате введения соответствующей воздухововлекающей добавки. Эти снимки дают некоторое представление о со-отношенш размеров воздушных пузырьков и зерен песка.

Дополнительные доказательства того, что воздухововлекающая добавка действует только на мелкий заполнитель и не оказывает влияния на компоненты портландцемента, были получены в указанной работе Кеннеди при испытании бетонов. На рис. 4, а и б, взятых из этой работы, показано действие воздухововлекающей добавки на бесцементный бетон.

Образец, показанный на рис. 4, а, состоял из песка, гравия, воды и чайной ложки сажи, добавленной для окраски смеси. Смесь имела очень жесткую консистенцию (осадка конуса равна 0). На рис. 4, б показан тот же образец с воздухововлекающей добавкой.

Долговечность

Можно сказать, что самой большой заслугой воздухововлечения с точки зрения технологии бетона является заметное увеличение морозостойкости бетона, особенно в присутствии солей, применяемых обычно для борьбы с обледенением бетонных дорог, уложенных в суровых климатических условиях. Благодаря воздухововлекающим добавкам срок службы бетонных дорог удлиняется во много раз.

Простейший пример, демонстрирующий механизм действия вовлеченного воздуха на морозостойкость бетона, приведен на рис. 5. Наличие доступных для воздуха пор ослабляет внутреннее давление замерзающей воды, что понижает точку замерзания и способствует прониканию воды внутрь. Предположим, что общая толщина покрытия, изображенного на рис. 5, составляет от 3 до б мм. При этом принимается, что покрытие в момент быстрого замерзания после захода солнца было влажным. Поверхность его немедленно уплотняется, и при дальнейшем замерзании в порах образуются кристаллы льда.

Так как лед занимает объем на 10% больший, чем такое, же количество по весу воды, то замерзнет лишь 30% находящейся в порах воды. Остаток ее будет вытеснен из пор и по капиллярам в бетоне проникнет в нижележащие воздушные поры. Таким образом, давление замерзшей воды ослабеет. Стадии в и г на рис. 5 показывают процесс замерзания и ослабления внутреннего давления воды. При отсутствии свободных от воды (воздушных) пор давление замерзшей воды может вызвать разрушение бетона.

Работа Пауэрса в Портландцементной ассоциации показала, что величина гидравлического давления в бетоне в значительной степени зависит от объема и общей удельной поверхности пузырьков воздуха.

Большую роль в повышении долговечности бетона играет меньшее водо-цементное отношение, которое становится возможным вследствие воздухововлечения. Однако наиболее важным фактором является сам вовлеченный воздух, что подтверждается многочисленными опытами, проведенными с обыкновенным и воздухо-удерживающим бетоном при одинаковых В/Ц.

На рис. 6 показаны типичные кривые повышения долговечности обыкновенного и воздухоудерживающего бетона. Как правило, морозостойкость бетона с воздухововлекающими добавками возрастает на 300—700%, в зависимости от состаГва бетона и метода испытаний.

Сульфатостойкость бетона с воздухововлекающими добавками также несколько возрастает, но далекЪ не в такой степени, как морозостойкость. Следует иметь в виду, что сульфатная агрессия не имеет столь широкого распространения, как явления замерзания и оттаивания. Кроме того, сульфатостойкость бетона может быть обеспечена и другим путем, например, применением малоалюми-натного цемента.

Имеются данные о том, что бетон с воздухововлекающими добавками обладает повышенной устойчивостью к действию реакции щелочи —заполнитель. Впрочем, случаи расширения бетона под действием этой реакции довольно редки.

Влияние воздухововлечения на прочность бетона зависит от трех факторов: количества вовлеченного воздуха, жирности смеси и характера применяемой добавки.

Если одна воздухововлекающая добавка вызывает большее снижение В/Ц, чем другая, то она окажет и более благоприятное действие на прочность бетона. Если воздухововлекающая добавка содержит в своем составе ускоритель твердения, например хлористый кальций, то влияние последнего на развитие начальной прочности бетона усилит благоприятное действие пониженного В/Ц, обусловленного добавкой. Точно так же введение соответствующего катализатора, вызывающего более полную реакцию между цементом и водой, может повысить прочность во все сроки твердения сверх того предела, который будет достигнут в результате снижения В/Ц.

Большую роль играет жирность смеси. Например, при определении влияния воздухововлекающей добавки на прочность бетона берут для сравнения такой же бетон без добавки. Если оба бетона изготовлены с одинаковым В/Ц, то каждый процент вовлеченного воздуха снижает прочность бетона с добавкой примерно на 14 кг/см2. В этом случае осадка конуса и удобоукладываемость бетона с воздухововлекающей добавкой будут гораздо больше, чем требуется обычно при укладке бетона.

Нужно также учитывать, что при одинаковом В/Ц бетон с воздухововлекающей добавкой может содержать значительно меньше цемента вследствие эффекта разбухания, обусловленного вовлеченным воздухом. Эффект разбухания пропорционален количеству вовлеченного воздуха. Но если обеспечить такую дозировку компонентов бетона с воздухововлекающей добавкой, чтобы содержание цемента в бетоне с добавкой и без нее было одинаковым, снижение прочности окажется незначительным. Можно даже получить значительный рост прочности бетона с воздухововлекающей добавкой при расходе цемента от 300 до 320 кг/м3, несмотря на присутствие «не несущих нагрузки воздушных пузырьков».

Если расход цемента превышает 320 кг/м3, можно ожидать снижения прочности бетона. При расходе цемента 345 кг/м3 это снижение еще не очень заметно, но в бетонах с расходом цемента 400—450 кг/м3 оно явственно дает себя чувствовать. Эти данные говорят о том, что введение воздухововлекающей добавки в очень жирные смеси нецелесообразно.

Количество вовлеченного воздуха, естественно, должно оказывать заметное влияние на прочность бетона. Но если содержание воздуха лежит ниже 6%, а расход цемента составляет от 230 до 345 кг/м3, прочность бетона с добавкой не будет значительно ниже прочности бетона без добавки. Конечно, расход цемента в том и другом случае должен быть одинаковым. У бетонов с одинаковым В/Ц каждый процент вовлеченного воздуха неизбежно вызывает снижение прочности на 14 кг/см2 независимо от жирности смеси или величины водо-цементного отношения.

Читать далее:
Обработка шлака и легких заполнителей
Однородность заполнителей для бетона
Установка для обработки породы
Разработка месторождений заполнителей
Испытание отобранных проб заполнителей
Отбор проб
Разведка заполнителей
Поисковые работы
Легкие заполнители
Реакция между щелочами и заполнителями в бетоне

Ваш отзыв

Имя	Помнить
Сообщение

Главная

Материалы