Классификация добавок по механизму действия

Исходя из механизма действия добавки можно разделить на четыре класса: 1) добавки, изменяющие растворимость вяжущих веществ и не вступающие с ними в химическую реакцию; 2) добавки. Реагирующие с вяжущими с образованием труднорастворимых или малодиссоциирующих веществ; 3) добавки, выступающие в роли центров кристаллизации; 4) добавки. Адсорбирующиеся на зернах вяжущих.

Добавки первого класса.

К добавкам первого класса относятся сильные и слабые электролиты и неэлектролиты, изменяющие растворимость как вяжущих, так и продуктов их гидратации – кристаллогидратов. При этом изменяется пороги пересыщения растворов, благодаря чему регулируются скорости гидратации и твердения вяжущих. Повышение порогов пересыщения однозначно приводит к росту скорости схватывания и твердения вяжущего. Но при этом не меняется механизм твердения и не изменяется состав продуктов гидратации.

Добавки первого класса можно разделить на две группы: добавки, не содержащие одноименных с вяжущим ионов и добавки, содержащие одноименный с вяжущим ион. Добавки первой группы (хлорид калия/натрия, нитрит натрия) регулируют ионную силу растворов, влияя, тем самым, на общую растворяющую способность раствора. Причем, растворяющая способность растворов растет при условии, что коэффициент активности добавки ниже 1. В обратном случае – растворяющая способность снижается и скорость схватывания снижается.

Вторая группа добавок первого класса как правило снижает растворимость вяжущего в силу эффекта высаливания (эффект одноименного иона). Однако одноименный ион добавки выступает как центр кристаллизации продуктов гидратации, что в конечном итоге приводит к общему ускорению процесса схватывания. Такими добавками являются хлорид, нитрит-нитрат кальция, сульфаты натрия, калия и железа (для гипсовых вяжущих).

Добавки второго класса.

Вещества второго класса способны химически реагировать с алюмосиликатами и гидросиликатами. Различают две группы добавок второго класса: 1) добавки, участвующие с вяжущим и продуктами гидратации в реакциях присоединения; 2) добавки, участвующие в обменных реакциях.

Добавки, участвующие в реакциях присоединения (хлорид, нитрат кальция). При взаимодействии добавок первой группы с минералами портландцемента образуются малорастворимые двойные соли-гидраты. Однако, возможность участия этих солей в подобных реакциях определяется их концентрацией, и при пониженной концентрации работают как добавки первого класса.

Добавки, участвующие в реакциях обмена (соли натрия, калия, аммония, железа, простейшие органические многоосновные кислоты). Добавки второй группы регулируют скорости гидратации цементного клинкера.

Добавки образованные сильным основанием и сильной кислотой – эти вещества связывают ионы кальция в двойные малорастворимые соли и повышают щелочность растворов, способствуя ускорению гидратации минерала алита.

Добавки образованные сильным основанием и слабой кислотой – способствуют выкристаллизации из раствора малорастворимых силикатов и алюминатов кальция, близких по составу к гидросиликатам и алюмосиликатам кальция, образующихся при гидратации клинкера. При этом в растворе быстро накапливаются высокодисперсные продукты гидратации, образующие гель, захватывающий воду и резко снижающий подвижность смеси. Скорость схватывания возрастает параллельно с ростом скорости набора прочности (алюминаты и силикаты калия, натрия).

Добавки, образованные слабым основанием и сильной кислотой – сульфаты аммония, железа, алюминия, цинка. Эти соли гидролизуются в растворе с образованием сильной кислоты, которая способствует накапливанию в растворе ионов кремниевой кислоты и образованию кремниевого геля, ускоряющего схватывание раствора. В то же время, ионы железа, аммония склонны к образованию рыхлых продуктов гидролиза, кольматирующие поры цементного камня.

Добавки третьего класса.

Действие добавок этого класса основано на снижении энергии активации процесса зародышеобразования, как самого энергоемкого в ходе образования новой фазы. Кристаллические затравки облегчают выделение новой фазы из пересыщенных растворов, при этом их введение целесообразно при затрудненной кристаллизации новообразований.

Эффективность добавок третьего класса пропорциональна тонкости помола. Добавки 3 класса сокращают сроки схватывания, но не изменяют скорости твердения минерального камня. Оптимальным считается 2-3% содержание таких добавок.

Добавки 4 класса.

К этим добавкам относятся ПАВ и поверхностные модификаторы. Различают гидрофобизирующие и гидрофилизирующие добавки.

Гидрофилизирующие добавки – ПАВ, выполняющие роль внутренней смазки (снижается трение зерен цемента при перемешивании), что позволяет экономить цемент, снижать водопотребность и повышать прочность при одновременном снижении скоростей твердения.

Гидрофобизирующие добавки. ПАВ, способные к химическому взаимодействию с поверхностью зерен клинкера с образованием гидрофобного слоя на их поверхности. Благодаря этому увеличивается срок хранения модифицированного цемента, снижается капиллярный подсос жидкости в гидрофобизированный бетон, что способствует увеличению его срока службы.

Пластификация цементного теста - сложный физико-химический процесс, включающий процессы адсорбции органического ПАВ на поверхности минеральных зерен вяжущего и продуктов его гидратации, образования структурированных гидратно-липофильных оболочек. Образование последних является основным фактором снижения скорости схватывания и набора ранней прочности, что определяет необходимость точного дозирования пластифицирующих добавок для снижения указанных негативных эффектов. Дозировка пластифицирующей добавки зависит от многих факторов, в число которых входят вид и марочность цемента, его активность, присутствие минеральных солей, водоцементное отношение и проч. Для упрощения задачи изменению подвергается только один из параметров, что позволяет изучить зависимость какого-либо значимого эксплуатационного или технологического параметра смеси. В качестве фиксируемого параметра предлагается выбрать величину водо-цементного (В/Ц) отношения при различных дозировках пластифицирующей добавки, что позволяет выявить концентрационные пределы эффективности последней. Условие постоянства В/Ц подразумевает постоянство объема жидкости затворения, что достигается смешением расчетных количеств воды и заранее приготовленного концентрированного раствора пластифицирующей добавки. Таким образом, работа складывается из нескольких этапов: приготовление концентрированного раствора пластифицирующей добавки (концентрация задается преподавателем), опытное определение нормальной густоты цементного теста с помощью мини-конуса, экспериментальное определение зависимости пластичности цементной пасты от концентрации добавки и определение предельных дозировок добавки.

Задание 1.Приготовленного концентрированного раствора пластифицирующей добавки

Рабочие растворы пластифицирующих добавок готовятся в расчете на определенную процентную концентрацию. Рабочие растворы готовят из сухих веществ или поставляемых растворов определенной плотности.

Процентная концентрация - содержание сухого вещества (в граммах) в 100 г раствора.

Таким образом, приготовление раствора заданной процентной концентрации производится смешением навески вещества (Д) с (100-Д) мл воды. При необходимости приготовления иных объемов раствора составляют соответствующую пропорцию.

Если добавка поставляется в виде раствора определенной плотности/концентрации, то производят предварительный расчет содержания сухого вещества в 1 мл данного раствора, после чего принимают решение о необходимости его разбавления. В последнем случае используют выше описанный метод приготовления раствора заданной концентрации.

Задание 2.Опытное определение нормальной густоты цементного теста с помощью мини-конуса

Использование мини-конуса позволяет быстро оценить пластические характеристики смеси, при этом следует иметь в виду, что мини-конус не является стандартным инструментом оценки пластичности, поэтому оценка пластичности является ориентировочной и справедлива лишь при единовременных измерениях в ряду однотипных объектов (единообразно подготовленных, имеющих одинаковые сырьевые компоненты и проч.).

В творильной чаше смешивают навеску цемента и воды до получения однородной массы, которую затем загружают в предварительно увлажненный мини-конус, помещенный на лист стекла широким основанием. Смесь укладывается вровень с краями конуса, при этом контролируется отсутствие пустот и газовых пузырей в объеме смеси. Затем конус поднимают и по истечении одной минуты замеряют диаметр основания конуса цементной пасты. Если диаметр основания конуса цементной пасты превышает диаметра основания мини-конуса на 1-3 мм, данное В/Ц считается пригодным для дальнейшей оценки пластифицирующего эффекта добавки.

Задание 3.Экспериментальное определение зависимости пластичности цементной пасты от концентрации добавки и определение предельных дозировок добавки.

Для оценки пластифицирующего эффекта добавки инструментальным методом используется мини-конус: определяется диаметр расплыва цементной лепешки при различных концентрациях добавки при постоянном объеме жидкости затворения. Исходной точкой является диаметр расплыва непластифицированной цементной пасты (концентрация добавки – 0%). Увеличение дозировки производят с шагом 0,05-0,3% в зависимости от вида добавки и требуемой точности. По результатам экспериментов строят график в координатах Диаметр расплыва (мм) – Содержание добавки (%, от массы цемента). Выход кривой пластификации на горизонталь является признаком достижения предельной эффективной концентрации пластификатора.

Пластифицирующие добавки проявляют активность на границе раздела фаз Твердое тело – Жидкость. Одним из признаков насыщения данной поверхности раздела пластифицирующей добавкой является выделение пластифицирующей добавки из цементной пасты в виде отдельной фазы. Контроль состояния насыщения межфазной поверхности производится визуальным методом: признаком насыщения является образование на поверхности пластифицированной цементной пасты маслянистых пятен, появление пены на поверхности лепешки. Достижение предельного насыщения межфазной границы сопровождается резким увеличением сроков схватывания, падением скорости набора ранней прочности твердеющего материала.

Таким образом, предельное насыщение межфазной границы в сочетании с данными о пластифицирующем эффекте добавки являются необходимой информацией для принятия решения об оптимальной дозировке данной добавки в исследуемой системе.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет содержит название и цель работы, данные о составе исследуемых суспензий и краткое описание техники эксперимента, выводы по проделанной работе. Экспериментальные данные оформляются графически и заносятся в соответствующие таблицы.

[1] При большей скорости вес образующейся капли быстро увеличивается во времени и заметно изменяется за время отрыва. Поэтому вес оторвав­шейся капли окажется преувеличенным. Кроме того, не успевают установиться равновесные величины концентраций на поверхности капли.

[2] Метку на стакане ставят предварительно, отмечая объем в 1 дм³