Быстросхватывающиеся цементные растворы с органическими добавками
При производстве строительных аварийных и ремонтных работ, а также при бетонировании зимой в условиях очень низких температур возникает необходимость значительно сократить сроки схватывания портландцемента (например, при бурении глубоких скважин, когда встречаются пористые, трещиноватые горизонты и каверны, вызывающие катастрофическое поглощение промывочной жидкости).
В качестве добавок, ускоряющих схватывание портландцемента, применяются, главным образом, углекислый натрий или кальцинированная сода (до 5%), силикат натрия или растворимое стекло (4—5%), сернокислый алюминий (до 5%) и полуводный гипс (до 20%). Все добавки необходимо вводить в больших количествах,- а цементные растворы при смешивании с ними немедленно сгущаются до пастообразного состояния, резко ухудшается их удобоукладываемость и существенно затрудняется перекачка насосом. Кроме того, широко применяющиеся ускорители сроков схватывания цемента—углекислый натрий и силикат натрия — очень чувствительны к основности и возрасту цементов. Так эффективность этих добавок в низкоосновных и лежалых цементах резко понижена и их приходится добавлять в количествах до 10%, что усложняет и удорожает работы.
Наши исследования показывают, что эффективным ускорителем сроков схватывания портландцемента является триэтаноламин (ТЭА), действующий уже при минимальной дозировке 0,1% при температуре до 75°С. Добавка 0,2% ТЭА сокращает сроки схватывания портландцемента в 2 раза, а 0,3% и выше — почти в 3 раза, по сравнению с чистым портландцементом. Увеличение дозировки ТЭА до 1% и более не способствует дальнейшему сокращению сроков схватывания.
Механическая прочность цементного камня с добавкой ТЭА повышается при 20°С и понижается при 75°С, по сравнению с чистым портландцементом; изменение механической прочности происходит пропорционально количеству введенной добавки. Так, при 20°С односуточная прочность цемента при вводе 0,2% ТЭА увеличивается на 20 %, а при 75°С — 30%, по сравнению с прочностью чистого портландцемента.
Причина ускоряющего действия ТЭА, по-видимому, заключается в повышении растворимости извести за счет образования слабодиссоциирующих солей с кальцием и ускорении коагуляции кремнекислоты.
Эффективными ускорителями схватывания цемента служат представители ароматических спиртов пирокатехин (двухатомный спирт с гидроксилами и ортоположении) и пирогаллол (трехатомный спирт с гидроксилами в ортоположении). Они уже в количестве 0,1—0,2% ускоряют схватывание цемента при 20°С почти в 10 раз. С повышением температуры способность этих ароматических спиртов ускорять схватывание цемента ослабевает и при 75°С названные количества реагентов ускоряют схватывание лишь в 4—5 раз. При увеличении дозировки до 0,5—1,0% срок схватывания при 20°С сокращается в среднем до 40—50 МИН, а при 75°С составляет 20—30 МИН. Механическая прочность цемента через 1 сут. при вводе пирокатехина и пирогаллола и минимальных дозировках уменьшается примерно па 30%, с увеличением количества этих реагентов прочность надает еще больше. Интересно отмстить, что такой же двухатомный спирт с гидроксилами (гидрихин) является замедлителем схватывания. Таким образом, расположение гидроксилов или структура названных веществ предопределяет их влияние на схватывание портландцемента.
В качестве ускорителей можно использовать природные красители.
В отличие от гидролизируещихся танинов, которые являются сильными замедлителями, конденсированные танины оказывают противоположное действие на портландцемент — ускоряют схватывание. При использовании оксидпроизводных морина снижение механической прочности не превышает 40% даже при больших дозировках (0,5—1,0%). В минимальных дозировках этих реагентов срок схватывания при 20°С и с повышением температуры до 75°С сокращается в 3—4 раза, по сравнению с чистом портландцементом.
Кварцетин и морин растворяются в щелочной среде цементного раствора, так что если раствор их приготовляется отдельно, то для полного растворения необходимо увеличить Рн среды до 8—9 добавков небольшого количества каустической соды.
Сильным ускорителем схватывания портландцемента является молочная кислота, которая так же, как оксипроизводные флавонола, растворяется в щелочной среде (Рп~8—9). При количестве 0,3% она ускоряет схватывание портландцемента при 20°С в 7—8 раз, доводя его почти до 1,5—2 ч. С повышением температуры эффективность молочной кислоты как ускорителя схватывания несколько снижается, составляя при 75°C примерно 0,5 ч. Суточная механическая прочность портландцемента при этом снижается почти на 50%.
Дальнейшее увеличение дозировки молочной кислоты еще более ускоряет схватывание портландцемента, так что при введении 1% ее начало схватывания при 20°С обычно уже не превышает 1—1,5 ч, а при 75°С — 15—20 мм, по при этом очень снижается механическая прочность.
Исследования показывают, что при использовании вышеуказанных органических добавок в качестве ускорителей схватывания механическая прочность портландцемента в 3 7 и 28-суточном возрасте снижается в меньшей степени, чем за первые сутки. Так что при дальнейшем твердении он по прочностной характеристике будет приближаться к чистому портландцементу.
Определить расчетным путем сроки схватывания портландцемента при вводе в него органических реагентов очень трудно. Можно лишь утверждать, что для данного цемента решающими факторами, влияющими на сроки схватывания, являются температура, химический состав, число и взаимное расположение функциональных групп в структурной формуле вводимого реагента, а также его количественное содержание. Сопоставляя действие рассмотренных реагентов на различные партии портландцемента, можно отметить, что увеличение основности и содержания трехкальциевого алюмината способствует снижению расхода ускорителя сроков схватывания и повышает его эффективность; одновременно уменьшается падение механической прочности в ранние сроки твердения.
Инж. С. М. БАШ, канд. хим. наук Ш. М. РАХИМБАЕВ
журнал бетон и железобетон 1969