Добавки для бетона

Высокоэффективные суперпластификаторы на базе эфиров поликарбоксилатов: принцип действия, факторы,  влияющие на их эффективность в бетонах; возможности применения в современных технологиях производства бетона.

В течение последнего десятилетия суперпластификаторы на базе поликарбоксилатов (РСЕ) стали примером успешного внедрения новой технологии в производстве бетонов. Начав свой путь в производстве самоуплотняющихся бетонов, они постепенно проникли и в область сборного железобетона. Шаг за шагом, эти добавки стали активно применяться производителями товарного бетона и, не в последнюю очередь, производителями готовых ЖБИ. Благодаря специфике действия РСЕ.пластификаторы позволяют производителям бетона получать продукты с улучшенными характеристиками и оптимизировать процесс производства, как с точки зрения экономики, так и с точки зрения экологии. В зависимости от химической структуры полимеров и принципа их действия, РСЕ-суперпластификаторы могут быть разработаны специально для конкретных целей. При производстве сборного железобетона полимеры с длинными боковыми цепями позволяют получить продукт с высокими показателями раннего набора прочности. Главная цепь полимера может быть оптимизирована посредством модификации плотности электрического заряда для достижения максимальных показателей (максимально длительной) удобоукладываемости смесей товарного бетона. Чтобы полностью раскрыть свои свойства в бетоне, РСЕ-суперпластификатор должен быть совместим с другими компонентами бетонной смеси. Химический состав цементов, используемых при производстве смеси, и, в особенности, содержание в них сульфатов, может значительно повлиять на эффективность добавок. На действие суперпластификатора может повлиять и тип песка-наполнителя. Благодаря химической структуре частицы полимера легко встраиваются в слои глины, если глина присутствует в качестве примеси в песке, и таким образом могут существенно потерять эффективность. Знание свойств и специфики поведения РСЕ-суперпластификаторов позволяет производителям полностью использовать преимущества РСЕ-технологии.

Самоуплотняющиеся бетоны (СУБ) и сверхвысокоэффективные бетоны (СВЭБ) могут быть получены только с использованием РСЕ-пластификаторов. При производстве стандартных высокопрочных бетонов добавки заменяют используемые традиционные продукты, благодаря их большому разнообразию и высокой эффективности.

 

Эфиры поликарбоксилатов — от разработки до настоящего времени

Разработка эфиров поликарбоксилатов (PCE) очень тесно связана с самоуплотняющимся бетоном (SCC). В начале 80_х годов прошлого столетия в Японии был заявлен первый патент на эту группу веществ и их использование в качестве суперпластификаторов для бетона. В середине 80_х годов в Японии приступили к реализации первых проектов с использованием эфиров поликарбоксилатов и самоуплотняющегося бетона. Наиболее известными из объектов являются, прежде всего, мост через залив в Токио (Tokio Bay Bridge) и центральные высотные здания в Токио (Tokio Central Towers). Прошло еще около 10 лет прежде чем эти продукты в середине 90_х годов появились в Европе. Начиная с этого времени, процесс пошел очень быстро: разработки новых продуктов обеспечили на рынке доступ к эфирам поликарбоксилатов и их использованию в качестве добавок к бетону.

 

Благодаря особым свойствам этого класса веществ, их исключительной эффективности и их разнообразию, в течение последующих 10 лет эфиры поликарбоксилатов завоевали более половины объема рынка в области пластификаторов и суперпластификаторов в Западной Европе. Сначала главной сферой применения РСЕ_суперпластификаторов было производство сборных элементов. При этом решающую роль играло сильное разжижающее действие, значительное повышение ранней прочности бетонов при использовании этих продуктов и применение самоуплотняющихся бетонов.

Сильное разжижающее действие PCE-проявляется в значительно более низкой дозировке, прочность продукции по сравнению с традиционными суперпластификаторами на базе натриевого нафталинсульфоната или меламинсульфоната возрастает в несколько раз. Дальнейшие разработоки суперпластификаторов на базе PCE обеспечили производство полимеров, которые соответствовали потребностям промышленности, производящей товарный бетон. В этой области применения большое значение имело, прежде всего, длительное сохранение консистенции и стабильная высокая прочность изделий по сравнению колебаниями этих показателей при обычном производстве. Использование соответствующих РСЕ-суперпластификаторов впервые создало возможности для производства бетонов с длительной удобоукладываемостью в течение 90 минут и более при показателях раннего набора прочности, позволяющих снять опалубку уже на следующий день после укладки бетона

Как показано на рисунке, бетон очень хорошо сохраняет консистенцию при 20°C в течение более 90 минут согласно требованиям; 1 день спустя предел прочности бетона при сжатии составлял 8,7 Н/мм2, т.е. уже был достаточным для снятия опалубки. По сравнению с использованием обычных СП появляется возможность производства на заводе бетона, готового к укладке. Дополнительной регулировки консистенции бетона для его укладки на строительной площадке, зачастую недостаточно обученным персоналом, что могло раньше приводить к ошибкам, уже не требуется. Таким образом, исключается причина возникновения ошибок: периодически случалось так, что на месте укладки бетона в него добавляли воду, чтобы получить консистенцию, необходимую для укладки бетона, или бетон укладывали слишком застывшим. В результате возникало, например, разделение смеси, снижалась прочность, ухудшалось качество готовой бетонной поверхности или падал показатель долговечности бетона - проблема всем хорошо известная. Для гидротехнического бетона, который применяется в производстве таких бетонных изделий, как например мостовые конструкции, бетонные трубы, водоводы и черепица, в течение нескольких лет также успешно используют поликарбоксилаты (PCE). Благодаря особым свойствам РСЕ могут применяться для значительного улучшения уплотняемости бетона и тем самым для оптимизации производственного процесса и состава бетона, например, за счет снижения содержания цемента.

На рисунке 5 в качестве примера отражено заметное уменьшение содержания цемента благодаря использованию добавки, содержащей поликарбоксилаты (PCE).

Структура и действие эфиров поликарбоксилатов

Как показано на примерах, для суперпластификаторов на базе поликарбоксилатов (PCE) характерно чрезвычайно большое разнообразие свойств и их действия и обусловленное этим широкое применение этих веществ. Можно ли представить реакцию этих продуктов в виде модели, и почему определенные полимеры имеют совершенно определенные свойства?

Ниже нам хотелось бы дать ответ на эти вопросы, что позволит нам в дальнейшем объяснить выбор продуктов для конкретных применений. Схема строения молекулы эфиров поликарбоксилатов показана на рисунке 6.

В главной цепи полимера мы обнаруживаем группы молекул с отрицательным электрическим зарядом   карбоксилатные группы. Новыми являются боковые цепи, прикрепленные к главной цепи полимера. Путем варьирования длины главных и боковых цепей, а также количества групп карбоксилатов и боковых цепей теперь можно теоретически изготавливать множество различных видов продукции. Разнообразие продуктов может быть еще большим, если в главную и боковую цепь встраивать другие группы молекул. Как нам уже известно на примере нафталиновых и меламиновых сульфонатов, молекула полимера вследствие своего отрицательного электрического заряда адсорбируется поверхностью зерна цемента. При этом у сульфонатов происходит их быстрое и почти полное поглощение, в то время как у PCE-пластификаторов их адсорбционными свойствами можно целенаправленно управлять путем изменения количества карбоксилатных групп. Дополнительно к диспергированию вследствие электростатического отталкивания зерен цемента эти зерна удерживаются на расстоянии одно от другого еще и за счет длинных боковых цепей. Этот принцип действия называют пространственным диспергированием» (Рис. 7).

Определяющим фактором эффективности суперпластификатора на базе эфиров поликарбоксилатов (PCE) являются его адсорбционные свойства. Эти свойства зависят, прежде всего, от молекулярной структуры полимера, химических условий в поровом растворе и физико_химических свойств поверхности цемента. Высокая плотность зарядов, то есть большое количество карбоксилатных групп у главной цепи приводит к быстрой и полной адсорбции полимеров. Этому способствует и быстро реагирующая поверхность зерна цемента, при этом доминирующую роль играют фазы C3A. На реакционную способность поверхности цемента влияет содержание в нем ионов сульфатов. Содержание ионов сульфатов в поровом растворе имеет решающее значение. Адсорбционные свойства различных продуктов в одних и тех же условиях показаны на рисунке 8.

Традиционные суперпластификаторы на базе нафталинсульфонатов (NSF) и метилсульфонатов (MSF) адсорбируются очень быстро и с высокой степенью адсорбции, составляющей, как правило, более 90%.

PCE-суперпластификаторы, напротив, имеют разброс свойств. Типичным продуктом для применения в производстве сборного железобетона является PCE D с высокой скоростью адсорбции и высокой степенью адсорбции. Продукты A, B и C , напротив, отличаются медленной адсорбцией и невысокой степенью адсорбции.

 

Факторы, влияющие на эффективность PCE-суперпластификаторов

Эффективность PCE суперпластификаторов определяется целым рядом факторов. Как было показано, эффективность действия добавок зависит от их химической структуры. Влияние адсорбционных свойств PCE-пластификатора на свойства бетона, показано на рисунке 9.

Продукт PCE 1 с очень высокой скоростью адсорбции и высокой степенью адсорбции вызывает заметную потерю консистенции бетона в течение 90 мин. Полимер PCE 2 , с очень низкой степенью адсорбции и очень низкой скоростью адсорбции, напротив, приводит к дополнительному разжижению, т.е. к улучшению консистенции. При использовании «идеального» полимера можно получить очень хорошее сохранение консистенции бетонной смеси.

Влияние различных цементов на эффективность одного и того же PCE-пластификатора показано на рисунке 10.

Другие компоненты также могут оказывать статистически достоверное влияние на эффективность PCE- суперпластификатора. Здесь следует особо отметить песок (смотри Рис. 11).

Если в песке в качестве примеси присутствует глина, то PCE-полимеры могут необратимо встраиваться в слои глины, что снижает их действие в качестве пластификаторов для бетона, то есть их эффективность в значительной мере теряется.

Для сохранения действия PCE-суперпластификатора важно, чтобы его свойства оптимально соответствовали условиям его применения. Для сохранения его постоянного действия в бетоне в течение длительного времени определяющее значение имеет, прежде всего, постоянное качество используемого цемента, а также песка, заполнителей бетона и прочих компонентов. Рекомендуется заранее проверить влияние этих изменений на эффективность PCE-суперпластификатора.

В случае необходимости необходимо адаптировать суперпластификатор к новым условиям или выбрать другой, более подходящий полимер.

 

Примеры использования PCE-суперпластификаторов

С разработкой и первым применением PCE-суперпластификаторов была тесно связана разработка самоуплотняющегося бетона (SCC). Производство самоуплотняющегося бетона невозможно без высокоэффективных пластификаторов. Особенно в производстве сборного железобетона самоуплотняющийся бетон (SCC) в Западной Европе уже занимает большую долю на рынке, в частности в Голландии, Дании и Швеции. Высокое содержание мелкодисперсных частиц и обычно низкий показатель водоцементного отношения вызывают необходимость использования высокоэффективного пластификатора на базе PCE. Кроме того, действие PCE-суперпластификаторов положительно влияет на вязкость самоуплотняющегося бетона. Наряду с производством сборного железобетона PCE-суперпластификаторы в последние

годы завоевали и производство товарного бетона. Высокая эффективность и способность сохранять консистентность являются важными техническими аргументами для применения этих суперпластификаторов. Кроме того, возможность производства бетонов с более мягкой консистенцией, вплоть до самоуплотняющегося бетона (SCC), обеспечивает большой экономический потенциал. В качестве примера можно привести строительство объекта вблизи входа в офисный центр (рисунки 12.14), а также укладку защитного слоя бетона на строительной площадке. Для демонстрационных целей один раз был использован бетон обычной, твердой консистенции (F 3) и один раз - самоуплотняющийся бетон (SCC) (Рис. 15).

Показаны преимущества, которые проявляются при укладке бетона, например, быстрота укладки, отсутствие воздействия шума, меньшее количество источников ошибок и меньшая потребность в рабочей силе.

 

Выводы

Пластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов благодаря особому механизму их действия и гибкой химической структуре позволяют изготовителям добавок для бетона использовать эти особые свойства с учетом сфер применения. В производстве сборного железобетона доля используемых РСЕ добавок на рынке Западной Европы составляет уже более 50%. Что касается товарного бетона, эти продукты в настоящее время используются, главным образом, для производства самоуплотняющегося бетона (SCC) и их потенциал еще далеко не исчерпан. Эти примеры показывают, что пластификаторы на базе PCE также могут внести свой вклад в экономичное и качественное выполнение технических требований и сделать бетон привлекательным, недорогим и перспективным строительным материалом.