Воздухововлечение
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 удобоукладываемым [1] во время укладки и увеличивает его долговечность при затвердевании, особенно в климате, подверженном циклам замораживания-оттаивания . [2] Это также улучшает удобоукладываемость бетона. [2]
В отличие от пенобетона , который изготавливается путем введения устойчивых 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 значительного снижения 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 бетона, уплотненного роликами. [4] Еще одним отличием является процесс производства: пенобетон предполагает создание отдельно пенной смеси, которую затем смешивают с цементом, песком и водой для получения конечного продукта, а воздухововлекающий бетон получают путем добавления специализированных добавок или добавок непосредственно в бетон. перемешивайте 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]
Преимущества
[ редактировать ]Воздухововлечение благоприятно влияет на свойства как свежего, так и затвердевшего бетона. [7] В свежем бетоне вовлечение воздуха улучшает его удобоукладываемость, облегчает транспортировку и перекачку. Это также помогает предотвратить кровотечение и сегрегацию, нежелательные процессы, которые могут возникнуть во время смешивания. В затвердевшем бетоне воздухововлечение укрепляет материал, делая его более устойчивым к циклам замораживания-оттаивания. [8] [9] Это также увеличивает его 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]
Процесс
[ редактировать ]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 сверх количества, необходимого 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 имеют соотношение aw/c от 0,45 до 0,60 на момент укладки, 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. В конце концов 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 менее желательным достижение 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 примеси для поддержания желаемого уровня вовлеченного 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 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]
Размер
[ редактировать ]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.
Захваченный воздух
[ редактировать ]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 в себя вибрацию для его установки на место и удаления захваченного воздуха, особенно в стенах, имеет важное значение для минимизации вредного захваченного воздуха.
Вмешательство углеродсодержащей золы-уноса
[ редактировать ]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 примесям (AEA). [13] добавляется для улучшения воздухововлечения бетона, улучшения его удобоукладываемости и устойчивости к замерзанию и оттаиванию. [14] Эта проблема стала более заметной 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]
История
[ редактировать ]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 приводило к тому, что полученный бетон проявлял 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]
Будущие направления
[ редактировать ]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 терять 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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чиа, К.-С.; Чжан, М.-Х. (2007). «Удобоукладываемость легкого бетона с воздухововлекающими добавками с точки зрения реологии». Журнал конкретных исследований . 59 (5): 367–375. дои : 10.1680/macr.2007.59.5.367 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Ду, Ляньсян; Фоллиард, Кевин Дж. (2005). «Механизмы воздухововлечения в бетон». Исследования цемента и бетона . 35 (8): 1463–1471. doi : 10.1016/j.cemconres.2004.07.026 .
- ^ Чжан, Пэн; Ли, Дэн; Цяо, Юн; Чжан, Сулей; Сунь, Цунтао; Чжао, Тецзюнь (2018). «Влияние воздухововлечения на механические свойства, миграцию хлоридов и микроструктуру обычного бетона и бетона с летучей золой». Журнал материалов в гражданском строительстве . 30 (10). дои : 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002456 . S2CID 139634425 .
- ^ Ву, Земей; Либре, Николя А.; Хаят, Камаль Х. (2020). «Факторы, влияющие на воздухововлечение и характеристики бетона, уплотненного валками». Строительство и строительные материалы . 259 . doi : 10.1016/j.conbuildmat.2020.120413 . S2CID 224900303 .
- ^ Радж, Амрита; Сатьян, Дханья; Мини, КМ (2019). «Физические и функциональные характеристики пенобетона: обзор». Строительство и строительные материалы . 221 : 787–799. doi : 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.052 . S2CID 197616669 .
- ^ Мохаммед А.С., Панди Р.К. (2015). «Влияние воздухововлечения на прочность на сжатие, плотность и состав бетона» (PDF) . Международный журнал современных инженерных исследований (IJMER) . 5 (1): 77–78. ISSN 2249-6645 .
- ^ Чжан, DS (1996). «Воздувововлечение в свежий бетон с помощью PFA». Цемент и бетонные композиты . 18 (6): 409–416. дои : 10.1016/S0958-9465(96)00033-9 .
- ^ Перейти обратно: а б Желтый, Рамадан; Чалышкан, Экрем Бахадыр (1 марта 2024 г.). Методы и системы строительства зданий . дои : 10.1007/978-3-031-50043-5 . ISBN 978-3-031-50043-5 .
- ^ Бассуони, Монтана; Нехди, МЛ (2005). «Дело в пользу воздухововлечения в высокопрочном бетоне». Труды Института инженеров-строителей – сооружений и зданий . 158 (5): 311–319. дои : 10.1680/stbu.2005.158.5.311 .
- ^ Шах, Хаммад Ахмед; Юань, Цян; Цзо, Шэнхао (2021). «Воздувовлекаемость в свежем бетоне и его влияние на затвердевший бетон – обзор». Строительство и строительные материалы . 274 . doi : 10.1016/j.conbuildmat.2020.121835 . S2CID 233833410 .
- ^ Меччерин, Виктор; Рейнхардт, Ганс-Вольф, ред. (2012). Применение супервпитывающих полимеров (SAP) в бетонном строительстве . дои : 10.1007/978-94-007-2733-5 . ISBN 978-94-007-2732-8 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лаллас, Зои Н.; Гомбеда, Мэтью Дж.; Мендонка, Флавия (2023). «Обзор дополнительных вяжущих материалов, влияющих на зависящие от возраста свойства бетона, влияющие на сборный железобетон». Журнал PCI . дои : 10.15554/pcij68.6-01 . S2CID 265017923 .
- ^ Перейти обратно: а б Кэ, Годзю; Чжан, Цзюнь; Тиан, Бо; Ван, Цзилян (2020). «Характеристический анализ конкретных воздухововлекающих агентов в различных средах». Исследования цемента и бетона . 135 . doi : 10.1016/j.cemconres.2020.106142 . S2CID 219923353 .
- ^ Сабир, Б.Б.; Коияли, К. (1991). «Стойкость к замораживанию-оттаиванию воздухововлекающего бетона CSF». Цемент и бетонные композиты . 13 (3): 203–208. дои : 10.1016/0958-9465(91)90021-9 .
- ^ Педерсен, К.; Дженсен, А.; Скьотрасмуссен, М.; Дамйохансен, К. (2008). «Обзор влияния углеродсодержащей золы-уноса на воздухововлечение в бетон». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 34 (2): 135–154. Бибкод : 2008PECS...34..135P . дои : 10.1016/j.pecs.2007.03.002 .
- ^ Швабовский, Януш; Лазневска-Пекарчик, Беата (2009). «Проблема воздухововлечения в самоуплотняющемся бетоне» . Журнал гражданского строительства и менеджмента . 15 (2): 137–147. дои : 10.3846/1392-3730.2009.15.137-147 . S2CID 137016093 .
- ^ Райт, П. Дж. Ф. (1953). «Вовлеченный воздух в бетоне». Труды Института инженеров-строителей . 2 (3): 337–358. дои : 10.1680/iicep.1953.11041 .
- ^ Меччерин, Виктор (2023). «Руководство по использованию суперабсорбирующих полимеров (SAP) в бетонных конструкциях» . Технические письма Рилема . 8 : 59–65. дои : 10.21809/rilemtechlett.2023.182 . S2CID 265235058 .