Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) связано с желанием улучшить некоторые свойства цементов, затрудняющие производство работ и снижающие качество бетона. Естественно, одно вещество не может обладать универсальностью свойств, поэтому изыскивались вещества с разными свойствами. Акад. П. А. Ребиндер предложил дифференцировать ПАВ по свойствам на гидрофильные и гидрофобные. Первая группа ПАВ способствует повышению пластичности смесей, позволяя получать изопластичные смеси при разном содержании в них воды. Следовательно, смеси, в которые вводится гидрофильное ПАВ, содержат меньше воды, что создает условия для получения бетона более высокого качества (с большей прочностью, плотностью, морозостойкостью и рядом других свойств). Введение ПАВ создает возможность изменить состав бетона путем одновременного пропорционального снижения содержания в нем воды и цемента. В этом случае удается изготовить бетон при экономии в среднем до 10% цемента.
ПАВ гидрофобного типа особенно целесообразны для повышения таких свойств бетона, как соле- и морозостойкость, водонепроницаемость. Наиболее существенное повышение строительно-технических свойств бетона получается при комплексном использовании ПАВ обоих типов.
Рассмотрим существо физико-химических процессов, определяющих механизм действия ПАВ. При введении в смеси или в цемент ПАВ адсорбируются на поверхности зерен цемента. ПАВ гидрофильного типа с д. б. (ранее выпускался продукт под названием сульфитно-спиртовой барды), адсорбируясь на зернах цемента, способствует снижению его качества и размеров флокул-агрегатов, из которых состоит цемент. Этот процесс называется пептизацией. Гидрофильные вещества создают на поверхности зерен своеобразный экран — защиту минералов цемента от контакта с водой, задерживая начало гидролиза и гидратации. При этом повышается устойчивость цементного теста к коагуляции. Кроме того, гидрофильная добавка, тормозя химические процессы, создает иные условия образования зародышей кристалликов новообразований, т. е. оказывает модифицирующее действие (связанное с изменением формы, в том числе кристаллической и свойств новообразований).
Исследования, проведенные с канд. хим. наук Т. Ю. Любимовой в СоюзДорНИИ, показали, что адсорбция с. д. б. различна v разных минералов. Наибольшая адсорбционная способность была определена у трехкальциевого алюмината С3А, наименьшая — v двухкальциевого силиката C2S. Сказанное хорошо иллюстрируется изотермии адсорбции, являющейся наглядной характеристикой взаимосвязи свойств поверхности минералов цементного клинкера — адсорбента с с. д. б.— адсорбирующимся ПАВ — адсорбтином.
Определение адсорбции ПАВ на цементах осложняется фактом образования из цемента и воды новообразований. Эта особенность адсорбента учтена при организации исследований. Были установлены: тормозящее действие добавок для ряда условий затворения цемента; увеличение адсорбции при повышении тонкости помола цемента; особенность пластифицирования цементов с высоким содержанием трехкальциевого алюмината; снижение скорости диффузии ионов воды через пленку адсорбирующейся с. д. б.; растормаживающее влияние гипса при адсорбции с. д. б. на поверхность полиминерального цемента и отсутствие этого влияния на механическую смесь различных (синтетических) минералов цемента, на которых адсорбировалась с д. б.; проникание воды через разные промежутки времени с момента затварения цемента сквозь пленку с. д. б. любой толщины, а также ионов Са и ОH, выделившихся при гидролизе трехкальциевого силиката. Для гидратированного трехкальциевого алюмината толщина адсорбционных слоев с. д. б. примерно равна 4—7 мономолекулярным слоям лишосульфонатов, что соответствует 1,8—2,2- 10-3 мг адсорбированного с. д. б. на 1 см2 поверхности гидратированного материала. В опытах также выяснялся эффект от адсорбции с. д. б. на поверхности молотых каменных материалов.
Опыты показали, что для молотого кварцевого песка адсорбцию установить нельзя из-за ее незначительности. Для молотого известняка изотерма адсорбции по численным значениям близка к изотермам адсорбции цемента с высокой тонкостью помола и средним по величине содержанием минерала СзА. По этой причине пластифицирование растворных смесей на известняковом порошке дает больший эффект, что видно по расплыву конуса растворной смеси при содержании в смеси 0,15% с. с. б. от массы порошка. Меньшее содержание с. с. б. не дает четких результатов по причине сложности равномерного распределения небольших количеств добавки на шероховатой поверхности зерен известняка, имеющих, кроме того, значительно большую пористость по сравнению с плотными зернами кварца.
Перечисленные особенности адсорбции ПАВ, в данном случае с. д. б., кроме научных целей имеют значение для производства. Известно, что на первых этапах применения с.с.б. в cмеси (при ее приготовлении в бетоносмесителях) на ряде объектов был получен отрицательный результат: смесь быстро загустевала, а иногда не твердела в течение нескольких суток (пяти и более). Причиной, вызывающей быстрое загустевание смесей или длительную задержку твердения цемента, является различная адсорбционная способность минералов, недостаточное количество гипса в цементе, степень свежести поверхности зерен минералов и количество ПАВ в растворной или бетонной смеси. Там, где меньше трехкальциевого алюмината, может тормозиться твердение, так как поверхность гидратирующихся зерен силикатов кальция (C3S и C2S) покроется более толстым слоем с. д. б. по сравнению с цементом, в котором больше минерала С3А. В этом случае сказывается различие в адсорбционном эффекте минералов цемента.
Ранее было показано, что адсорбция с. д. б. на минералах цемента имеет избирательный характер и особенно высока на поверхности минерала СзА. Это можно проверить опытами с цементами, подвергавшимися до введения с. д. б. предварительному смешиванию с водой — предварительной гидратации. В этом случае количество с. д. б., адсорбирующейся на поверхности новообразований, значительно возрастает. Причиной такого изменения адсорбции является гидратирующийся минерал СзА и гидратирую-щийся минерал C4AF, скорость гидратации которых по сравнению со скоростью гидратации силикатов кальция (C3S и С2S) значительно выше. Затворение чистого синтетического цемента из минерала С3А всегда сопровождается высоким выделением тепла и своеобразным вскипанием теста, из которого выделяется водяной пар.
По указанным причинам вое цементы следует подразделять на группы пластифицирования, в которых введение добавок всегда приводило бы к получению технико-экономического эффекта. В настоящее время пользуются предложенным автором делением цементов на три группы, для которых назначаются исходные условия оценки состояния цемента — его качества на момент использования. Соответственно этому качеству назначается дозировка с. д. б. в пределах 0,154-0,3 (0,4)% от массы цемента на сухой остаток этого вещества.
Пластификатор с. д. б. вводится в смесь в расчете на активную часть вещества (т. е. на сухие вещества, содержащиеся в жидком или твердом пластификаторе), поэтому в лаборатории необходимо определить их содержание по обычной методике.
Существует прием введения с. д. б. непосредственно в помольный агрегат при помоле клинкера. Цемент с добавкой с. д. б. назван пластифицированным. Эффект пластифицирования зависит от химико-минералогического состава клинкера, тонкости его измельче
Кроме того, с. д. б. после предварительной гидратации цемента не препятствует гидратации в нем минерала C4AF, в то время как затворение цемента с добавкой с. д. б. в воду затворения меняет ход химического процесса. В этом случае поверхность минерала C4AF блокируется ПАВ. Следовательно, меняется и распределение с. д. 6. на поверхности минералов. Число слоев добавки, покрывающей их поверхность, становится большим, так как площадь, покрываемая ПАВ, меньше площади зерен цемента, не вступивших в реакцию с водой, и новообразований из зерен, на поверхности и в массе которых прошли процессы гидратации.
Пластификатор с. д. б. вводится в смесь в расчете на активную часть вещества (т. е. на сухие вещества, содержащиеся в жидком или твердом пластификаторе), поэтому в лаборатории необходимо определить их содержание по обычной методике.
Существует прием введения с. д. б. непосредственно в помольный агрегат при помоле клинкера. Цемент с добавкой с. д. б. назван пластифицированным. Эффект пластифицирования зависит от химико-минералогического состава клинкера, тонкости его измельчения, количества гипса, введенного при помоле клинкера, равномерности распределения пластификатора по поверхности зерен цемента. Несоблюдение этих условий, в ряде случаев, вызывает меньший эффект от введения с. д. 6. по сравнению с введением ее на строительной площадке. Изыскивается способ введения с. д. б. не к кусковому клинкеру, а к цементу, образующемуся после помола.
с. д. б. в жидком виде по мере развития удельной поверхности измалываемого клинкера в лабораторных условиях. Эти опыты показывают, что из-за чисто технической стороны пластифицирования цемента эффект введения с. д. б. ниже возможного. При пластифицировании максимальный эффект соответствует наибольшему уменьшению в смесях воды для любой заданной пластичности без торможения процесса из-за создания на поверхности твердой фазы слоев с. д. б., которые задерживают ход диффузии ионов, участвующих в обменной реакции между цементом и водой. С. д. б. химически не участвует в этой реакции.
Гидрофобизирующие добавки находят все более широкое применение в цементной промышленности и при производстве бетонных работ. Так же как при приготовлении цементов с добавками гидрофильного типа, например с. д. б., промышленность выпускает цементы с гидрофобизирующими добавками, что позволяет называть их в первом случае пластифицированными, а во втором — гидрофобизирующими. При введении в бетонную смесь гидрофобизирую-щих добавок значительно повышаются морозостойкость, водонепроницаемость, деформативность и другие свойства бетонов. При этом удается с большим успехом регулировать тепловыделение, что имеет существенное значение при бетонировании конструкций или частей сооружений больших объемов, устраиваемых без членения (опоры мостов, фундаменты, например, под доменные печи, блоки гидротехнических сооружений и т. д.). Следует иметь в виду, что каждая из гидрофобизирующих добавок дозируется в строгом соответствии с нормативными указаниями или в полном соответствии с опытными данными, полученными при изучении ее свойств. Особый интерес представляет применение комплексных ПАВ, когда удается использовать положительное действие каждой добавки (гидрофилизующее и гидрофобизирующее). Эффект их применения значительно выше, чем от добавок одного вида, что подтверждено многочисленными исследованиями и опытными работами.