Воздухововлечение в бетоне – это преднамеренное создание крошечных пузырьков воздуха в замесе путем добавления воздухововлекающего агента во время смешивания. Форма поверхностно- активного вещества (поверхностно-активного вещества, которое, в частности, снижает поверхностное натяжение между водой и твердыми веществами), позволяет образовываться пузырькам желаемого размера. Они образуются во время смешивания бетона (пока раствор находится в жидком состоянии), при этом большая часть из них выживает и остается его частью при затвердевании.
Воздухововлечение делает бетон более работоспособным [1] во время укладки и увеличивает его долговечность при затвердевании, особенно в климатических условиях, подверженных циклам замерзания и оттаивания . [2] Это также улучшает удобоукладываемость бетона. [2]
В отличие от пенобетона , который изготавливается путем введения стабильных пузырьков воздуха за счет использования пенообразователя, который является легким (имеет меньшую плотность) и обычно используется для изоляции или заполнения пустот, воздухововлеченный бетон равномерно распределяет мельчайшие частицы. воздушные пустоты, введенные за счет добавок, для повышения долговечности, технологичности и устойчивости к циклам замораживания-оттаивания без существенного снижения его общей плотности и без негативного влияния на его механические свойства, что позволяет использовать его в таких объектах, как мосты [3] или дороги, построенные с использованием Бетон, уплотненный валками. [4] Еще одним отличием является процесс производства: пенобетон предполагает создание пенной смеси отдельно, которую затем смешивают с цементом, песком и водой для получения конечного продукта, тогда как воздухововлекающий бетон производится путем непосредственного добавления специализированных добавок или добавок. в бетонную смесь во время перемешивания, чтобы в смеси образовались небольшие пузырьки воздуха. [5]
Примерно 85% бетона, производимого в США, содержит воздухововлекающие добавки, которые считаются пятым ингредиентом в технологии производства бетона. [6]
Воздухововлечение благоприятно влияет на свойства как свежего, так и затвердевшего бетона. [7] В свежем бетоне вовлечение воздуха улучшает удобоукладываемость и облегчает транспортировку и перекачку. Это также помогает предотвратить кровотечение и сегрегацию, нежелательные процессы, которые могут возникнуть во время смешивания. В затвердевшем бетоне вовлечение воздуха укрепляет материал, делая его более устойчивым к циклам замораживания-оттаивания. [8] [9] Он также повышает устойчивость к растрескиванию, повышает устойчивость к пожару и повышает общую прочность. Таким образом, добавление воздуха в бетон при его изготовлении сначала облегчает работу с ним, но позже помогает ему оставаться прочным даже в тяжелых условиях, таких как отрицательные температуры или воздействие пожара. [10]
Крошечные пузырьки воздуха в воздухововлекающем бетоне действуют как внутренняя амортизация, поглощая энергию во время удара и повышая устойчивость к физическим силам, таким как удары или вибрация. Повышенная ударопрочность помогает свести к минимуму повреждение поверхности и предотвратить распространение трещин и разрывов, тем самым увеличивая общую долговечность. Кроме того, воздушные пустоты, действуя как зоны сброса давления, позволяют воде или влаге расширяться во время циклов замораживания-оттаивания, не вызывая внутренних напряжений и последующего растрескивания. [2] [8]
Хотя затвердевший бетон выглядит как компактное твердое вещество, на самом деле он очень пористый (типичная пористость бетона : ~ 6–12 об. %) и имеет небольшие капилляры , образующиеся в результате испарения воды, превышающей количество, необходимое для реакции гидратации . Для гидратации всех частиц цемента требуется соотношение воды и цемента (в/ц) примерно 0,38 (это означает 38 фунтов воды на каждые 100 фунтов цемента). Дополнительная вода является избыточной и используется для того, чтобы сделать пластичный бетон более удобоукладываемым, легко текучим или менее вязким. Чтобы добиться подходящей осадки для пригодности к укладке, большинство бетонов на момент укладки имеют соотношение aw/c от 0,45 до 0,60, что означает наличие значительного избытка воды, которая не вступает в реакцию с цементом. Когда лишняя вода испаряется, на ее месте остаются небольшие поры. Вода из окружающей среды может позже заполнить эти пустоты посредством капиллярного действия . Во время циклов замораживания-оттаивания вода, заполняющая эти поры, расширяется и создает растягивающие напряжения , которые приводят к образованию крошечных трещин. Эти трещины пропускают больше воды в бетон, и трещины увеличиваются. Со временем бетон раскалывается – откалываются куски. Разрушение железобетона чаще всего происходит из-за этого цикла, который ускоряется из-за попадания влаги на арматурную сталь, вызывая ее ржавчину , расширение, образование большего количества трещин, пропускание большего количества воды и усугубление цикла разложения.
Воздушное развлечение — это процесс, который следует строго контролировать, чтобы избежать естественного разложения, что означает непреднамеренное или нежелательное присутствие воздушных пустот в бетоне, вызванное такими факторами, как неправильное смешивание или недостаточное уплотнение, что может привести к снижению прочности и долговечности из-за непостоянные размеры и расположение воздушных пустот, что делает его менее желательным для достижения конкретных эксплуатационных свойств бетона. [11]
Различные материалы могут влиять на свойства воздухововлекающей добавки несколькими способами.
Летучая зола, дополнительный вяжущий материал, улучшает укладку пасты благодаря своим более мелким частицам, что приводит к лучшей текучести и отделке бетона. Более низкий удельный вес летучей золы увеличивает содержание пасты при заданном соотношении воды и цементного материала (в/см) по сравнению с обычным портландцементом. Различные виды летучей золы требуют корректировки дозировки воздухововлекающих добавок из-за различий в ее химическом составе и характеристиках воздухопотери. Летучая зола класса F обычно требует более высоких уровней примесей для поддержания желаемого уровня увлеченного воздуха по сравнению с летучей золой класса C. [12]
Дым кремнезема – еще один материал, влияющий на воздухововлекающий бетон. Его мелкий размер частиц и гладкость требуют более высоких дозировок воздухововлекающей добавки, чем традиционные бетоны без микрокремнезема. [12]
Шлаковый цемент способствует улучшению упаковки и увеличению объемной доли пасты из-за его более низкого удельного веса, чем у обычного портландцемента. [12]
Включение натуральных пуццоланов, таких как зола из рисовой шелухи или метакаолин, влияет на крупность и состав, что в дальнейшем влияет на необходимую дозировку воздухововлекающих добавок в смешанные бетоны, содержащие эти материалы. [12]
Пузырьки воздуха обычно имеют диаметр от 10 до 500 микрометров (от 0,0004 до 0,02 дюйма ) и расположены близко друг к другу. Пустоты, которые они создают, можно немного сжать, чтобы уменьшить или поглотить напряжения от замерзания. Воздухововлечение было введено в 1930-х годах, и большая часть современного бетона, особенно если он подвергается воздействию отрицательных температур, является воздухововлекающим. Пузырьки способствуют удобоукладываемости, действуя как своего рода смазка для всех заполнителей и крупных частиц песка в бетонной смеси.
Помимо намеренно вовлеченного воздуха, затвердевший бетон также обычно содержит некоторое количество захваченного воздуха. Это более крупные пузырьки, образующие более крупные пустоты, известные как «соты», и обычно они распределяются менее равномерно, чем увлеченный воздух. Правильная укладка бетона, которая часто включает вибрацию для его установки на место и удаления захваченного воздуха, особенно в стенах, имеет важное значение для минимизации вредного захваченного воздуха.
Использование летучей золы, побочного продукта сгорания угля, в качестве добавки при производстве бетона, является обычной практикой из-за ее экологических и экономических преимуществ. Тем не менее, остаточный углерод в летучей золе может мешать воздухововлекающим добавкам (AEA) [13] , добавляемым для улучшения воздухововлечения в бетон для улучшения удобоукладываемости и устойчивости к условиям замерзания и оттаивания. [14] Эта проблема стала более выраженной с внедрением технологий сжигания с низким содержанием NOx. Существуют механизмы взаимодействия АЭА с летучей золой в бетонных смесях, связанные с воздействием остаточного углерода. Количество углерода и его свойства, такие как размер частиц и химия поверхности, влияют на адсорбционную способность АЭА. Тип топлива, используемого при сжигании, влияет как на количество, так и на свойства присутствующего остаточного углерода. Летучая зола, полученная из битуминозного угля, обычно имеет более высокое содержание углерода, чем зола, полученная из полубитуминозного угля или бурого угля, но демонстрирует более низкую адсорбционную способность AEA на массу углерода. Для улучшения качества летучей золы, используемой в бетоне, используются различные методы последующей обработки. Такие методы, как озонирование , термическая обработка и физическая очистка, показали многообещающие результаты в повышении производительности. [15]
Воздухововлечение было обнаружено случайно в середине 1930-х годов. [2] В то время производители цемента использовали шлифовальные добавки для улучшения процесса измельчения цемента. Эта добавка для измельчения представляла собой смесь различных химикатов, в том числе солей древесной смолы, которые добавлялись в цемент в процессе измельчения. В ходе экспериментов исследователи заметили, что добавление этой шлифовальной добавки приводит к тому, что полученный бетон приобретает особые уникальные свойства. В частности, они заметили, что бетон содержит крошечные, рассеянные по всей структуре пузырьки воздуха, что значительно повышает его долговечность и устойчивость к замерзанию и оттаиванию. Чтобы понять это явление, были проведены дальнейшие исследования и исследования, которые привели к осознанию того, что шлифовальная добавка отвечает за вовлечение воздуха в бетон. Это случайное открытие в конечном итоге привело к тому, что преднамеренное вовлечение воздуха стало стандартной практикой при производстве бетона. [2] С тех пор воздухововлекающий бетон стал скорее стандартной практикой, чем исключением, особенно в холодном климате. [16] [17]
Воздухововлекающие агенты (AEA) были разработаны и тщательно изучены для повышения устойчивости к повреждениям при замерзании и оттаивании, вызванным как внутренними нарушениями, так и отложениями солей. [2] [13]
Суперабсорбирующие полимеры (SAP) могут заменить традиционные воздухововлекающие агенты (AEA) в бетоне, поскольку они могут создавать стабильные системы пор, которые функционируют аналогично воздушным пустотам, создаваемым AEA. Частицы SAP поглощают воду во время смешивания и образуют стабильные водонаполненные включения в свежем бетоне. Когда цемент гидратируется и подвергается химической усадке, поры затвердевающего цементного теста опорожняются. Частицы SAP затем выделяют поглощенную воду, чтобы компенсировать эту усадку, эффективно уменьшая аутогенную усадку и снижая риск растрескивания. Эти поры, созданные SAP, действуют как пустоты, аналогичные тем, которые создаются AEA, улучшая стойкость к замораживанию и оттаиванию и долговечность. В отличие от AEA, которые могут потерять часть увлеченного воздуха из-за таких факторов, как длительная транспортировка или высокие температуры окружающей среды, система пор SAP остается стабильной независимо от консистенции, добавления суперпластификатора или метода размещения. SAP — надежная альтернатива для достижения контролируемого воздухововлечения в бетонных конструкциях. Используя SAP вместо традиционных AEA, специалисты по строительству могут повысить устойчивость к замораживанию и оттаиванию, не беспокоясь о потере значительной части вовлеченных пузырьков воздуха во время процессов смешивания или укладки. [18]