Бетон с вовлеченным воздухом

Вовлечение в бетон воздуха достигается путем добавления к цементу и воде затворения некоторого количества пенообразующего вещества. Множество мельчайших пузырьков воздуха возникает при этом внутри бетонной смеси, причем общий их объем должен составлять 3 – 6 % от объема бетона. Подобные добавки сообщают бетонной смеси улучшенную по сравнению с обычной удобоукладываемостью, а в затвердевшем состоянии - повышенную морозостойкость и водонепроницаемость. Но эти улучшения достигаются лишь при вполне определенных условиях; несоблюдение их не только сводит на нет все эти благотворные результаты, но и может снизить качество бетона, вплоть до угрозы полной его непригодности.

Используемые в этих целях пенообразующие добавки – обычно органического происхождения: это древесные смолы, жирные кислоты, мыла в сочетании со смачивающими веществами, замедлители и ускорители схватывания. Существуют много различных типов воздухововлекающих добавок. Существенное значение имеет их способность образовывать пену и выделять пузырьки воздуха малого диаметра, обладающие поверхностным напряжением: не вступая в какие-либо заметные химические взаимодействия с цементом, они обеспечивают устойчивость бетонной смеси.

Будучи введена в бетономешалку вместе с цементом и водой затворения, добавка содействует обогащению бетона воздухом, объем которого определяется различными факторами, в том числе: зерновым составом, менералогической природой заполнителей, дозировкой цемента, способом перемешивания и его продолжительностью, природой и количеством примененной добавки. Фактически воздух вовлекается раствором и прежде всего зернами песка размерами 0,2-1 мм. Если содержание в песке более мелких, чем 0.3 мм фракций увеличивается, объем вовлеченного воздуха уменьшается. Наблюдается, что известковые пески благодаря пористости и поверхностным свойствам вовлекают меньше воздуха, чем кварцевые. В связи с этим следует ограничивать относительную долю мелкозернистого песка с верхней границей 0,4 мм. Цемент действует аналогично – увеличение его дозировки снижает объем вовлеченного воздуха.

В обычном (без добавок), хорошо составленном бетоне объем естественно вовлеченного воздуха составляет чаще всего 1-3%. Надлежащая добавка повышает это содержание до 6%, однако признано, что наилучшие результаты получаются при норме 4%. Роль пенообразующей добавки заключается, таким образом, не только во введении воздуха в бетон, сколько в том, что неравномерно распределенная в бетоне по воздушным мешкам и слоям газообразная фаза преобразуется, под ее воздействием, во множество воздушных пузырьков почти сферической формы. Диаметр этих пузырьков определяется границами 50-250 м, в среднем приблизительно 200 м. Это позволяет заключить, что в объеме 1 м.куб. бетона должно содержаться 50 0000 0000 00 таких пузырьков.

Для того, чтобы установить количество добавки, требующееся для достижения желаемого результата с учетом факторов технологического порядка, в каждом конкретном случае необходимо предварительно определить количество воздуха, содержащегося уже в бетоне до введения добавки. Его находят из измерения разностей плотности под переменным гидростатическим или пневматическим давлением, причем изменение объема бетонной смеси приводит к соответствующим величинам объема воздуха, определяемым с использованием закона Мариотта. Можно также произвести подсчет воздушных пузырьков под микроскопом в шлифе затвердевшего бетона, но этот метод трудоемкий и требует большой тщательности.

Мы уже описали свойства свежей бетонной смеси тем, что дали ее основные характеристики – сцепление, коэффициент внутреннего трения, вязкость, способность к расслаиванию, водоотделение. Теперь своевременно поставить вопрос о том, какое влияние оказывает вовлеченный в бетон воздух на эти основные его свойства.

Как уже сказано выше, исследование бетона под микроскопом обнаруживает, что имеющиеся в нем обычно поры отличаются чрезвычайно разнообразными формами и размерами, чаще всего довольно крупными – свыше нескольких десятых миллиметра. В бетоне с вовлеченным воздухом эти поры приобретают форму, приближающуюся к сферической, а размеры получаются значительно более мелкими. Эти пузырьки, размещающиеся между зернами заполнителя, в частности между зернами песка, обволакиваются тонкими пленками, обладающими поверхностным напряжением. Укрепляясь на твердых зернах, они возбуждают между этими последними силы сцепления, при всей своей незначительности все же ощутимые. Лучше всего это явление можно сравнить с тем, что происходит при сбивании яиц в снегу. Белок, обогащаясь проникающими в него пузырьками воздуха, превращается при этом в пену (мус), которая обладая внутренним сцеплением и, следовательно, структурой, приобретает благодаря этому свойства твердого тела (сохранение формы).

Приготовим бетон из цемента, песка и воды раствор. Он обладает некоторым, близким к нулю, сцеплением и некоторым коэффициентом трения. Заменим теперь часть песка пузырьками воздуха, и проведем испытание на сдвиг, чтобы измерить коэффициент внутреннего терния. В результате скольжения зерна песка будут совершать вращательное движение, поскольку же форма их неправильная, эти движения создадут в окружающей среде турбулентность и, следовательно, будут испытывать сопротивление тем большее, чем резче выражены неправильности формы. Пузырьки же воздуха имеют сферическую форму и, что важно, легко деформируемы. Силы реакции, противодействующие их перемещениям, будут поэтому наименьшими. Легко понять, что замена некоторого количества песка воздухом может привести к уменьшению сопротивления скольжению, иными словами, к снижению коэффициента внутреннего терния. Сверх того, смачивающее вещество, всегда вообще присутствующее в воздухововлекающих добавках, препятствует коагуляции цемента и пластификатора. В конечном счете, воздухововлекающая добавка и вовлеченный воздух, действуя совместно, весьма ощутительно снижают внутреннее трение, в то время как капиллярные натяжения усиливают сцепление.

Прямая Кулона для обычного бетона имеет своим началом точку, близкую к началу координат, и наклонена к оси абсцисс под углом гамма. Замена части песка воздухом смещает эту прямую влево от начала координат и несколько наклоняет ее к оси абсцисс, так что угол гамма' получается меньше угла гамма.

Таким путем можно сообщить бетонной смеси способность к слипанию, благодаря которой она не будет расслаиваться при транспортировании. Под небольшими механическими воздействиями она приобретает повышенную недеформируемость, более высокую жесткость. На рисунке это состояние обозначено как состояние покоя.

При более значительных механических воздействиях, имеющих место в процессах укладки бетонной смеси, структурная вязкость ее снижается сравнительно с контрольным образцом, удобоукладываемость бетона улучшается. С другой стороны, расслаивание уменьшается в связи с тем, что перемещению крупных зерен заполнителей оказывают противодействие реакции пленок, образующих связи между зернами. Замечено также, что бетон с вовлеченным воздухом довольно резко отличается своим поведением от обычного бетона. Своим внешним видом он напоминает более или менее студнеобразную массу – гель; это объясняется ее структурной вязкостью и позволяет, например, транспортирование в грузовых машинах без ущерба для ее однородности. Однако при перемешивании она тотчас же вновь переходит в жидкое состояние, пока разрушенные движением молекулярные и поверхностные связи не восстанавливаются вновь. Такой бетон характеризуется не только сниженным коэффициентом трения, он приобретает, сверх того, и тиксотропные свойства, и это значит, что при одинаковых осадках конуса Абрамса бетон с вовлеченным воздухом будет обладать лучшей удобоукладываемостью, чем обыкновенный бетон.

Наконец, опыт показывает, что бетон с вовлеченным воздухом в меньшей степени, чем обыкновенный, подвержен водоотделению. Движение воды внутри скелета заполнителей теснейшим образом зависит от его водонепроницаемости. Чем более водопроницаем свежеуложенный бетон, тем в большей степени он склонен выделять влагу, и это очень легко понять. Воздушные пузырьки, попадая в каналы, по которым должна циркулировать вода, застревают в их стенках и создают пробки. Для того, чтобы найти путь, вода должна сорвать эти пузырьки со стенок и увлечь их за собой или же раздавить их. Раздавливание возможно лишь в том случае, если вода будет воздействовать на воздушные пузырьки с большим избыточным давлением, а так как давление внутри пузырьков превышает атмосферное, то на деле в этих условиях речь может идти лишь об изменениях их объема. Воздушные пузырьки отрываются поэтому от стенок и, увлекаемые водой, переносятся в такие места, где они получают возможность более плотно укрепиться на ближайших зернах заполнителя. Пробки образуются тогда в самых благоприятных для закупорки местах, количество протекающей воды сокращается, проницаемость снижается до ничтожной величины. Вовлечение воздуха в бетон, таким образом, приносит нам все выгоды. Пузырьки воздуха выполняют роль заполнителей, обогащая зерновой состав песка, в области мелких фракций и повышая пластичность без увеличения дозировки воды. Но это – заполнители, наделенные совершенно особыми свойствами, происхождение которых кроется в присущих им поверхностном натяжении и деформируемости. Если мы, используя эти свойства, научились повышать пластичность и уменьшать внутренне трение без добавки воды, то этим самым мы открыли путь к получению бетонов со сниженным водоцементным отношением, не уступающих, однако, обычным в отношении удобоукладываемости. К этому собственно и сводится вся техника приготовления бетона с вовлеченным воздухом.