Отощающие добавки

Отощающие добавки вводятся в пределах соотношении не выше, чем цемент/добавка=1/1. При таких процентах потеря прочности цементного камня невелика.

Для подводных бетонных работ в случае, когда возведенное вооружение находится во время эксплуатации постоянно под водой, и качестве отощающей добавки представляется возможным пользоваться бентонитовыми глинами; это позволяет не только снизит расход цемента, но и оказать пластифицирующее действие на растворную и бетонную смеси.

Впервые бентонитовые глины были найдены в США и названы так по месту их разработки - район Бентон. Они встречаются в большом количестве по восточному и западному склонам Скалистых гор (США) и в Канаде.

В СССР бентониты и близкие к ним по своим свойствам глины имеются на Кавказе, в Закавказье, Туркмении, Крыму, на Дальнем Востоке, на Кольском полуострове и в средней полосе европейской части России, например кудиновские около Москвы.

Запасы их огромны и исчисляются в миллионах тонн. Залегают они на поверхности или очень близко от поверхности земли, а открытые в настоящее время залежи расположены недалеко от железнодорожных линий и автострад; поэтому разработка и транспортирование добытого материала незатруднительны.

Применение отощающих добавок для гидротехнического бетона

Имеет смысл остановиться на истории исследования и характеристике этих глин более подробно, так как о них еще сравнительно мало сообщается в литературе; между тем, они обладают целым рядом ценных свойств и применяются в различных областях нашего народного хозяйства: в горном деле, нефтяной и текстильной промышленности, металлургии, даже в медицине и, наконец, уже относительно давно в строительном деле в качестве тампонажных растворов для цементации бетонных массивов и трещиноватых каменных пород.

При определенных условиях бентонитовая глина, состоящая из частиц порядка 1 мк и способная расслаиваться на чрезвычайно тонкие чешуйки, показывает отчетливые тиксотропные свойства, т. е. способность под влиянием механического воздействия, например встряхивания или размешивания, разжижаться и переходить из гелеобразного состояния в состояние суспензии. После прекращения действия причины, вызывающей тиксотропное превращение, система постепенно застывает, вновь переходя в гель.

В США исследователем Спенсом было установлено, что добавка до 1% бентонита увеличивает в портландцементе его механическую прочность; несколько позднее Коллингс зарегистрировал свой патент на применение бентонита в бетоне в качестве водонепроницаемого агента. В СССР одним из строительных управлений Наркомстроя в 1942 г. свойство этой добавки - увеличивать механическую прочность цемента - было проверено и полностью подтверждено; также оказалось, что по сравнению с цементно-известковыми растворами смеси с глинами имели большую пластичность и удобоукладываемость. Как добавки к тампонажным растворам они были применены для увеличения водонепроницаемости бетонных массивов на строительствах Московского метрополитена и канала имени Москвы.

Рис. 7. График изменения временного сопротивления разрыву образцов в возрасте от 1 до 30 дней для различных процентов добавки бентонитовой глины

Усадка бетонных блоков для сооружений, находящихся под водой, не опасна. Бетон (или раствор), твердеющий на воздухе, уменьшается в объеме и дает усадку, но при твердении в воде или в насыщенной парами воды атмосфере он разбухает, причем величина разбухания в воде значительно меньше усадки на воздухе. Это обстоятельство навело автора настоящего труда на мысль, что для подводных бетонных работ добавка сравнительно больших процентов (до 25%) бентонитовых глин к цементу, по-видимому, целесообразна.

Для экспериментальных работ была использована бентонитовая глина (асканит), залегающая в Закавказье. Объемный ее ее при ненарушенной структуре и при естественной влажности 32% составил 1,74 т/м³, а увеличение набухания достигло 14 кратного значения. Примененный сорт цемента - новороссийский портландцемент средних марок, пролежавший около двух лет и имевший поэтому фактическую активность всего около 150 кГ/см.

Было изготовлено большое число образцов в виде восьмёрок из чистого цемента и из цемента добавками бентонитовой глины до 25% и хлористого кальция количестве 2% безводного вещества от веса цемента; эти восьмерки были разорваны в возрасте от 1 до 30 дней (рис. 7), а некоторые - до 60 дней (при хранении в воде). Для испытания на сжатие было также изготовлено много образцов кубиков (7х7х7 см)  из раствора состава Ц:П=1:3 при В/Ц =0,5 на чистом цементе с песком и на цементе, песке и добавках 10, 15 и 20% бетонта и 2% хлористого кальция. Образцы были раздавлены в возрасте от 3 до 7дней (рис. 8).

Несмотря на некоторые неблагоприятные обстоятельства (низкая температура воды при хранении образцов, изготовление их без трамбования и др.), выполненные схематические опыты показали, что временное сопротивление сжатию образцов из раствора Ц:П = 1:3 при замене 10% цемента глиной и при водоцементном отношении 0,5 составило через 7 дней в среднем 55 кГ/см² и было ниже таких же образцов без бентонита

Рис. 8. График изменения временного сопротивления сжатию кубиков в возрасте от 3 до 7 дней для различных процентов добавки бентонитовой глины:
1 - 88% цемента + 10% бентонита + 2% СаСl2; 2 - 100% цемента; 3 - 82% цемента + 15% бентонита +3% СаСl2; 4 - 90% цемента + 10% бентонита; 5 - 85% цемента + 15%   бентонита

примерно на 25%. Однако при добавке хлористого кальция оно резко повысилось и было в среднем равно 83 кГ/см². Такой же характер носили испытания восьмерок на разрыв. Смесь при добавке глины получалась более удобоукладываемой даже с водоцементным отношением 0,5; дополнительная же добавка хлористого кальция делала смесь еще более пластичной, ускоряя од­новременно процесс ее твердения.

После пребывания образцов с добавками глины в воде в течение двух месяцев никаких поверхностных изменений замечено не было  и при рассмотрении излома не обнаружено трещин и раковин.

В результате выполненных исследований можно считать доказанным, что применение бентонитовых или близких к ним по своим свойствам глин при подводном бетонировании снижает расход цемента; увеличивает удобоукладываемость растворной смеси, повышает водонепроницаемость создаваемых монолитов.

Уместно указать, что уже в 1955 г. в Верхней Австрии на подводных бетонных работах по постройке фундаментов опор моста через р. Траун в состав инъекционного раствора, помимо добавки к цементу австрийского трасса, вводился австрийский бентонит, дававший наилучшие результаты.

В начале шестидесятых годов проф. В. В. Стольников провел исключительно интересные и имеющие важное практическое значение исследования по использованию в качестве добавки к цементу тонкодисперсной золы-уноса. Она остается в больших количествах от сжигания каменноугольного пылевидного топлива на тепловых электростанциях и обладает, как заменитель части вяжущего, существенными свойствами при получении гидротехнического бетона, удовлетворяющего предъявляемым требованиям в различных зонах сооружения.

В ряде зарубежных стран зола-унос в качестве добавки к вяжущему уже в больших масштабах используется при возведении бетонных гидротехнических сооружений. Сейчас можно смело утверждать, что зола-унос должна найти успешное применение на крупных строительствах гидроузлов там, где имеются вблизи тепловые станции.

Недавно были утверждены как нормативный документ разработанные во ВНИИГ «Технические условия на применение золы-уноса тепловых электростанций, как добавки к цементу и бетону гидротехнических сооружений». Впервые широко была внедрена в практику такая добавка на постройке Братской гидростанции.

Последующие изыскания ВНИИГ по влиянию добавки золы Ангарской (Иркутской) и Красноярской тепловых электростанций на основные свойства бетона при замене 25% портландцемента этими золами показало, что:

-введение золы в состав бетона является более эффективным и тощих бетонах с расходом вяжущего около 150 кГ/м³, что характерно для внутризонального бетона; такая замена приводит к явному уменьшению водопотребности бетонной смеси, чего, прав­да, нельзя сказать в отношении жирных составов (при расходе вяжущего около 250 кГ/м³), характерных для наружных зон гидросооружений;

-прочность внутризонального бетона с добавкой 25% золы сначала немного снижается, а к 180 дням почти выравнивается с прочностью бетона без добавки; для наружных зон она все же остается несколько сниженной;

-водонепроницаемость бетона с таким же процентом добавки представляется вполне удовлетворительной и для внутренних зон отвечает примерно марке В-4 по ГОСТу, а для наружных - марке В-8;

-характер усадки в период твердения этого бетона на воздухе и во влажной среде практически не изменяется, а тепловыделение но сравнению с бетоном без добавки заметно снижается. Уменьшение экзотермического эффекта при замене части цемента золой, наряду с умеренной усадкой, особенно важно для сохранения монолитности массивного гидротехнического бетона;

-что касается влияния золы на морозостойкость, то оно сказывается отрицательно, и поэтому введение ее в состав бетона «морозостойких зон» нерационально; она наиболее пригодна для внутренней зоны сооружений.

Наконец, при исследовании было выяснено, что добавочным измельчением (домолом) золы-уноса можно добиться еще большего увеличения экономии по сравнению с использованием ее в естественном виде. Домол до удельной поверхности в 5000 см²/г повышает прочность бетона на цементно-зольном вяжущем и при этом она в 28-дневном возрасте получается не ниже прочности бетона на цементе без добавки.

То же можно сказать относительно помола шлака, когда он в большом количестве (до 60%) заменяет вяжущее; в особенности интересно то обстоятельство, что при совместном введении в состав бетона измельченных частиц шлака и цемента (с домолом до удельной поверхности порядка 5000 см²/г) можно достигнуть экономии клинкера 65-75% без снижения прочности бетона даже в раннем возрасте; при этом домол снижает водопотребность бетонной смеси, а объемный вес бетона увеличивается.

Этим ограничивается обзор добавок к цементу, улучшающих качество растворных и бетонных смесей, увеличивающих их долговечность с возможно более экономным расходованием цемента; число их гораздо больше, но рассмотрены основные.

Помимо добавок к цементу в гидротехническом строительстве, в последнее время у нас и за рубежом находят все большее распространение специальные высокоэффективные способы приготовления растворных и бетонных смесей - коллоидный раствор и виброактивированный бетон.

Говоря об экономии цемента, нужно подчеркнуть, что при современном состоянии промышленности строительных материалов в СССР цемент не является дефицитным и его экономия связана с другим обстоятельством - с увеличением долговечности бетона.

Цемент лишь склеивает твердую основу бетонного монолита (мелкий и крупный каменный заполнитель), и поэтому большой расход цемента не означает увеличения прочности бетона.