Замедление схватывания цементного теста

В соответствии с современными представлениями [18, 20, 41], обычный портландцемент, содержащий для регулирования сроков схватывания гипс, начинает взаимодействовать с водой непосредственно сразу после затворения. При этом гидроксид кальция, сульфат и щелочи быстро переходят в раствор, который становится перенасыщенным относительно Са(ОН)₂, выделяемого при гидролизе алита. Сульфат кальция и щелочные соли диссоциируют в воде затворения на соответствующие ионы. Через несколько минут после затворения образуются первые гидратные фазы — эттрингит и гидроксид кальция, осаждающиеся из раствора.

Физический механизм схватывания цементного теста рассмотрен в [41, 45, 52]. Некоторые исследователи полагают, что схватывание цементного теста вызвано увеличением объема продуктов гидратации с соответствующим уменьшением расстояния между частицами до тех пор, пока не начнут возникать силы когезии, пропорциональные числу частиц, соприкасающихся друг с другом.

Несколько иной механизм схватывания цемента предложен в [53], где этот процесс разделен на три фазы, перекрываемые во времени.

Первая фаза — это самопроизвольное диспергирование цементных частиц, особенно С₃А. Вслед за диcпepгированием, или «коллоидацией», возникает коагуляционная тиксотропная структура из частиц цемента и продуктов гидратации. В третьей фазе появляется структура, образованная путем кристаллизации из пересыщенного раствора. Схватывание соответствует коагуляционной структуре, упрочнение которой вызывает последующее твердение цементного теста.

Имеются противоречивые взгляды на роль гидратных фаз в схватывании. Одни авторы [20, 41] считают, что ведущая роль принадлежит алюминатной фазе, другие приводят данные о решающем влиянии гидратации C₃S.

Одна из первых классификаций замедлителей твердения предложена в [45], где к замедлителям схватывания отнесены соединения, которые уменьшают растворимость алюминатов и образуют полупроницаемые покрытия, окружающие частицы цемента. Ускорители схватывания, наоборот, повышают растворимость алюминатов и силикатов и понижают содержание гидроксильных ионов. Небольшая добавка хлорида кальция, например, действует в качестве замедлителя, но при более высоком содержании хлорид кальция выступает в роли ускорителя. Замедляющее действие хлорида можно объяснить образованием двойной соли 3СаО·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O, оказывающей такое же замедляющее действие, как гидросульфоалюминат кальция. Второй класс замедлителей назван «разрушителями» из-за их сильного воздействия на механическую прочность. Это бура, различные сахара и гумусовые вещества. К ним примыкают также продукты взаимодействия протеинов и альбуминов или триэтаноламиновых солей с растворимыми кальциевыми солями лигносульфоновой кислоты [45]. Надо отметить, что исследования и практический опыт показывают [49], что «разрушители» при оптимальных дозировках можно с успехом использовать для замедления схватывания бетонных смесей.

В основу современной научной классификации добавок в бетон положен кристаллизационный механизм гидратационного твердения вяжущих, предусматривающий растворение исходной и выделение конечной фаз из перенасыщенного раствора. Такой механизм позволяет описать кинетику гидратации и выявить в каждом конкретном случае лимитирующую стадию процесса. Это особенно важно при изучении влияния добавок, так как с их помощью удается в широком интервале изменять скорость гидратации цемента.

В соответствии с [52] замедлителями схватывания цементного теста могут служить добавки первого, второго и четвертого классов.

Добавки первого класса — электролиты, изменяющие растворимость вяжущих веществ, — включают самые различные химические соединения. Замедлителями гидратационного твердения они служат в том случае, если снижают вероятность возникновения зародышей новых фаз.

Добавки второго класса реагируют с вяжущими веществами, образуя труднорастворимые или малодиссоциированные соединения. Они также весьма многочисленны. По существу все электролиты в определенных условиях могут химически взаимодействовать с минералами цементного клинкера и .продуктами их гидратации. К добавкам этого класса относят также спирты, амины и органические кислоты. Замедляющий эффект добавок второго класса обусловлен появлением экранирующих пленок из продуктов реакций. Типичный пример — фосфат натрия, реагирующий с вяжущими с образованием пленки из труднорастворимого двухэамещенного фосфата кальция, имеющей различные плотность и проницаемость. Максимального торможения скорости гидратации вяжущего достигают при введении такого количества фосфата натрия, которое обеспечивает наиболее удачное соотношение между толщиной и плотностью пленки. Отклонение от оптимума количества добавки должно ухудшить это соотношение и снизить экранирующее действие пленки. Торможение добавками процессов схватывания зависит также от габитуса поверхности зерен, кристаллографической близости пленки с новообразованиями и т. п.

К четвертому классу добавок относят ПАВ, способные адсорбироваться и на зернах вяжущего, и на гидратных новообразованиях. Адсорбция ПАВ — важнейший фактор их тормозящего действия на процесс схватывания. В результате адсорбции повышается диффузионное сопротивление и тормозится растворение зерен [52]. Адсорбция ПАВ способствует самодиспергированию цементных зерен; их распаду до частиц коллоидных размеров и стабилизации цементно-водной суспензии, что препятствует коагуляции. Этот процесс в наибольшей степени влияет на С₃А и менее сильно на C3S. В некоторых случаях ПАВ могут не вызывать заметного торможения скорости гидратации цемента. Например, при использовании некоторых высокоалюми-натных цементов ослабляется барьерная функция новообразований в результате изменения условий и кинетики выкристаллизовывания новой фазы [52]. ПАВ могут также изменять соотношение между скоростями процессов растворения С₃А и кристаллизации гидратов в пользу первого из них, что вызывает увеличение действующего перенасыщения.

Замедлить сроки схватывания цемента часто необходимо не только для обеспечения транспортирования бетонной смеси на большие расстояния, но и для удлинения сроков перекрытия слоев бетонной смеси и уменьшения максимальной температуры в массивных сооружениях, а также при ускоренном схватывании цемента под воздействием высоких температур, повторном вибрировании и т. д. Рекомендованы и применяются способы замедления схватывания цемента в бетонной смеси, в основном сводящиеся к применению различных комплексных добавок, содержащих замедлители. Чаще всего для этого используют сульфитно-спиртовую барду (ССБ) и СДБ, которые одновременно пластифицируют и замедляют схватывание. Известны [4, 49] способы приготовления бетонной смеси с удлиненными сроками схватывания при введении во время перемешивания сухих материалов или с водой затворения триполифосфата щелочного металла, жидкого стекла и водорастворимой полиамидной смолы, карбоната калия и тетрабората натрия, кубовых остатков синтетических жирных кислот и др. (табл. 1).

Торможение замедлителями схватывания процессов начального структурообраэования в системе цемент—вода обусловливает возможность использования их в композиции с СП для приготовления специальной группы ПФМ, которые условно можно назвать стабилизирующими.