11.2. Портландцемент с поверхностно-активными добавками

Для облегчения процесса помола цемента и улучшения ряда свойств портландцемента в него вводят некоторые органические ПАВ в количестве не более 0,3 % массы цемента в пересчете на сухое вещество. При необходимости эти добавки могут быть введены не при помоле, а непосредственно с водой затворения во время приготовления растворов или бетонов.

При введении этих добавок удается уменьшить потерю активности цемента при длительном его хранении, снизить водопотребность и повысить пластичность растворных и бетонных смесей, уменьшить их расслаиваемость и водоотделение; введение ПАВ позволяет улучшить ряд свойств затвердевших растворов и бетонов (морозостойкость, коррозионная устойчивость и др.).

Пластифицированный портландцемент.Производство ПЦ-ПЛ, впервые предложенного С. В. Шестоперовым, отличается от производства обычного портландцемента введением в него 0,15—0,25 % лигносульфонатов технических (ЛСТ) — отхода бумажной промышленности при производстве целлюлозы. ЛСТ содержит аммонийные и кальциевые соли лигносульфоновых кислот, которые находятся в воде в виде коллоидного раствора высокой степени дисперсности. При введении в цемент ПАВ содержащиеся в нем лигносульфоновые кислоты, адсорбируясь на цементных зернах, повышают подвижность растворной или бетонной смеси. Пластифицирующее действие ПАВ объясняется тем, что сульфолигниновые соединения благодаря явлениям адсорбции образуют на поверхности частиц цемента коллоидные адсорбционные пленки гидрофильного характера, способствующие более полному смачиванию частиц водой. Это ослабляет имеющие между ними силы сцепления и препятствует образованию хлопьевидных новообразований на поверхности гидратирующихся минералов, что ускоряет их гидратацию и образование первичного кристаллического каркаса, снижает уплотнение в нем гелеобразных продуктов. Эти можно объяснить замедление роста прочности пластифицированных цементов в начальные сроки твердения.

Установлено, что введение пластифицирующей добавки в портландцемент дает значительный технический эффект. Например, при постоянном водоцементном отношении в бетоне и заданной подвижности бетонной смеси расход цемента для ее приготовления можно снизить по сравнению с непластифицированным цементом той же марки на 10— 12 %, а при заданном расходе цемента и заданной подвижности бетонной смеси можно значительно уменьшить водоцементное отношение, что улучшает основные технические свойства бетона: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость. Если в нашем примере не изменять расход цемента и принятое водоцементное отношение, то бетонная смесь приобретает повышенную подвижность, а это облегчает выполнение работ по укладке бетона в изделия сложной конфигурации.

Наряду с разжижающим действием в растворах и бетонах добавка ЛСТ несколько замедляет схватывание и твердение цемента в первые дни гидратации, не снижая его активности по сравнению с исходным цементе в 28-суточном возрасте. В этом случае несколько увеличивается водонепроницаемость и морозостойкость бетона на его основе за счет некоторого повышения воздухововлечения в бетон. Введение 0,15 — 0,25 % ЛСТ (из расчета на сухое вещество) замедляет образование и рост кристаллов гидратированных материалов и препятствует срастанию, при этом проявляется свойство адсорбционного модифицирования, из-за чего образуется мелкозернистая кристаллическая структура, способствующая получению высокой прочности и плотности цементного камня к 28-суточному твердению.

Наибольший пластифицирующий эффект наблюдается при введении в цемент при помоле ПАВ под общим названием ЛСТМ-2 (лигносульфонаты технические модифицированные). Их использование позволяет на 10—20 % повысить производительность мельниц, снизить расход электроэнергии при помоле цемента, повысить на 10 — 30 % прочность бетона.

Оптимальное количество пластифицирующей добавки определяется лабораторией цементного завода опытным путем исходя из минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента, вида и количества вводимой активной минеральной добавки. При этом необходимо учитывать, что увеличение количества С₃А в клинкере и более тонкий помол цемента требуют повышения количества вводимого ПАВ (но не более 0,3 %). При пониженном количестве гипса в цементе введение в него ПАВ может значительно снизить активность цемента, особенно в начальный период его твердения. При введении оптимального количества гипса большого снижения гидратационной активности не наблюдается.

Пластифицированный портландцемент применяют для изготовления монолитных сооружений, сборного бетона и железобетона в наземных и подземных сооружениях. В связи с повышенной удобообрабатываемостью и плотностью цементного камня наиболее эффективно его применять в сооружениях, работающих в зоне переменного уровня — частой смены циклов замораживания — оттаивания или увлажнения — высыхания, а также в дорожном строительстве.

Гидрофобный партландцемент(ПЦ-ГФ) разработан М. И. Хигеровичем и Б. Г. Скрамтаевым. Его производство отличается от производства обычного портландцемента тем, что при помоле в его состав вводят 0,05 — 0,3 % гидрофобизирующих добавок. Основная цель введения такой добавки — повышение сохранности цемента при транспортировании и длительном хранении во влажной среде путем придания цементу пониженной гигроскопичности. Он не вступает во взаимодействие с водой при непродолжительном контакте с ней и не превращается в комья гидратированного цементного камня.

Являясь адсорбционными понизителями твердости материалов, гидрофобизирующие добавки препятствуют слипанию частиц цемента и налипанию их на мелющие тела, интенсифицируя этим процесс помола. Добавки этого вида являются более действенными интенсификаторами помола, чем гидрофилизующие добавки. В растворных и бетонных смесях гидрофобные цементы обладают повышенной пластичностью и позволяют при постоянной подвижности и удобоукладываемости бетона соответственно снизить водоцементное отношение или расход цемента на 1 м³бетона.

Гидрофобизирующие поверхностно-активные органические вещества при введении их в цемент адсорбируются на поверхности зерен цемента в виде тончайших (мономолекулярных) пленок из ориентированных асимметрично-полярных молекул, обращенных углеводородными радикалами наружу. Эти радикалы обладают гидрофобными, т. е. водоотталкивающими свойствами, благодаря чему гидрофобизированный цементный порошок становится менее гигроскопичным, чем обычный цемент, и не смачивается водой. При недостаточном количестве введенной добавки цемент приобретает эти специфические свойства лишь частично, а избыточное количество ПАВ увеличивает пористость цементного камня и снижает его прочность из-за повышенного вовлечения воздуха в бетонную или растворную смесь.

При правильно подобранной дозировке ПАВ образовавшийся на поверхности зерен слой гидрофобной добавки покрывает их не сплошной пленкой, а в виде достаточно разреженной сетки, замедляющей, но не препятствующей взаимодействию молекул воды с поверхностью зерна. При перемешивании цемента с водой в присутствии мелкого и крупного заполнителей (песок, щебень и т д.) в процессе перемешивания растворной или бетонной массы адсорбционные пленки частично сдираются, и образуется однородная растворная или бетонная смесь, обладающая повышенной пластичностью. Аналогичный процесс происходит и при интенсивном перемешивании цементного теста, в частности, при определении его нормальной густоты и сроков схватывания.

По физико-механическим свойствам гидрофобный цемент практически не отличается от обычных цементов, в связи с чем ГОСТ 10178—85 предъявляет к нему только одно дополнительное требование: гидрофобизированный портландцемент не должен впитывать в себя воду в течение 5 мин с момента нанесения капли на его поверхность.

Присутствие на поверхности части негидратированных зерен неполностью разрушенных гидрофобных пленок несколько снижает скорость гидратации и твердения цемента. Учитывая интенсифицирующее действие добавки при помоле и образование повышенного количества зерен клинкера размером меньше 30 мкм, а также повышенную пластичность в растворах и бетонах и более низкую водопотребность такого цемента, прочность изделий с применением такого цемента практически не отличается от прочности изделий, изготовленных на обычном портландцементе.

Гидрофобные ПАВ обладают пенообразующей способностью и образуют устойчивые эмульсии воздушных пузырьков, благодаря чему воздухосодержание свежеизготовленных строительных смесей, приготовленных на гидрофобном цементе, на 3 — 5 % выше, чем на обычном портландцементе. Гидрофобизирующие свойства добавок сохраняются в затвердевших растворах и бетонах, поэтому изделия, приготовленные с применением гидрофобного цемента, обладают повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью, пониженным водопоглощением и капиллярным подсосом воды, что несколько повышает их коррозионную устойчивость.

В связи с тем, что гидрофобный портландцемент менее чувствителен к повышенной влажности окружающей среды, его рекомендуется применять при необходимости длительного хранения в связи с нерегулярной (сезонной) доставкой и длительными перевозками, а также при сооружении монолитных гидротехнических и других сооружений, где требуется бетон с повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью и пониженным тепловыделением в начальные сроки твердения.

В ряде случаев для придания изделиям из растворов и бетонов повышенной водонепроницаемости, большей прочности при изгибе, повышенной пластичности и сопротивления ударному и истирающему воздействию в состав изготовляемых бетонов и растворов вводят до 10 — 20 % поливинилацетатных или латексных эмульсий.

Ежегодно в стране выпускается около 2,5 млн. т пластифицированного портландцемента, около половины из этого количества используется в дорожном строительстве. Гидрофобного цемента выпускается небольшое количество.