Супер- и гиперпластификаторы для бетонов нового поколения



Строительная индустрия развивается невероятно быстрыми темпами. С развитием меняются требования по рациональному и эффективному использованию сырья и энергетических ресурсов. Особое и главенствующее место в этом развитие занимает изготовление сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций повышенной прочности, надежности и высокой долговечности. Для эффективного решения этой задачи необходимо широкое применение специальных химических добавок.

Добавки, применяемы для модифицирования свойств бетонов и растворов в зависимости от основного эффекта действия подразделяют на три группы:

‒ Добавки, которые регулируют свойства готовых к использованию бетонных и растворных смесей. К ним относятся: пластифицирующие, стабилизирующие, регулирующие сохранность подвижности, поризующие (т. е. создающие макро- и микропоры).

‒ Вторая группа представлена добавками, изменяющими свойства бетонов и растворов: регулирующие кинетику твердения (ускорители, замедлители), повышающие прочность, снижающие проницаемость, повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре и т. п.

‒ К третьей группе относят добавки придающие бетонам и растворам специальные свойства: противоморозные; гидрофобизирующие; биоцидные; повышающие стойкость к высолообразованию [1, с. 23].

Специалисты прогнозируют, что уже в ближайшие годы в нашей стране доля бетонов с добавками будет составлять более 50 %. При этом основными добавками будут пластификаторы, а также комплексные и противоморозные добавки.

В настоящее время наиболее широко используемыми в производстве бетона и железобетона являются пластифицирующие добавки. Это объясняется их высокой эффективностью, практическим отсутствием отрицательных действий на бетон и арматуру, а также их доступностью и относительно невысокой ценой.

Пластифицирующие добавки — это вещества, которые обладают поверхностно-активными свойствами, они увеличивают подвижность и/или удобоукладываемость бетонных смесей. Таким образом, используя пластифицирующий эффект добавок в технологии железобетонных конструкций можно значительно упростить процедуру формирования изделий или, при сохранении неизменной подвижности смеси, значительно снизить ее водосодержание, и за счет этого уменьшить пористость, увеличить плотность, прочность, и другие характеристики бетона.

Сегодня на мировом рынке представлено огромное количество добавок пластифицирующего действия, которые могут кардинально отличаться как своим составом, так и воздействием на бетон.

Использование пластифицирующего эффекта добавок в технологии производства железобетонных изделий и конструкций позволяет существенно облегчить формирование бетонных изделий при сохранении неизменной подвижности смеси, уменьшить время нахождения изделий в формах и повысить тем самым производительность выпуска штучных изделий, снизить энергоемкость производства.

Пластификаторы бетонных смесей стали широко применяться на рубеже 40–50-х годов прошлого столетия. Сегодня они претерпели значительные изменения и занимают большую часть рынка химических добавок, применяемых в технологии бетона. В качестве пластифицирующих добавок обычно применяются поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые часто являются продуктами отходов химической промышленности. ПАВ обладают высокой физико-химической активностью на границе раздела фаз в дисперсных системах, что, безусловно, является их отличительной особенностью. Деление ПАВ представлено в виде двух групп:

‒ Первую группу представляют пластифицирующие добавки гидрофильного типа, которые способствуют диспергированию коллоидной системы цементного теста и, следовательно, улучшению его текучести.

‒ Вторая группа — гидрофобизирующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мельчайшие пузырьки воздуха. Молекулы поверхностно-активных гидрофобных добавок, адсорбируясь на поверхности раздела воздух — вода, понижают поверхностное натяжение воды н стабилизируют мельчайшие пузырьки воздуха в цементном тесте. Добавки II группы, имея основным назначением регулирование структуры и повышение стойкости бетона, обладают при этом заметным пластифицирующим эффектом [4].

Чаще всего встречаются добавки ПАВ с четко выраженными пластифицирующими свойствами, которые являются добавками на основе отходов или остаточных продуктов целлюлозно-бумажной промышленности (СДБ, ССБ, ЛСТ) и суперпластификаторы (С-3, 10–03, МФАС-100П).

Первые суперпластификаторы появились в начале 70-х годов прошлого столетия, как результат исследований японских и немецких специалистов в области исследований и проектирования бетонов [1, с. 22]. Основная идея использования этих добавок заключалась в том, чтобы получить бетонные смеси, которые можно было бы укладывать в формы, совсем не применяя механических воздействий, либо применяя их при резком снижении уровня интенсивности воздействий.

Главным преимуществом СП является то, что, не смотря на сильное разжижающее действие, они практически не снижают прочности бетона, что позволяет применять значительно более высокие дозировки по сравнению с обычными пластификаторами и соответственно получать более высокий пластифицирующий эффект [2]. Применение суперпластификаторов и комплексов на их основе, в сочетании с повышением активности цементов позволило в разы увеличить среднюю и максимальную прочность бетона. Динамика роста максимальной прочности тяжелого бетона выглядит следующим образом (рисунок), также увеличились значения и среднестатистической прочности бетона [2].

Рис. Рост максимальной прочности бетона в ХХ веке в динамике по годам

Сегодня суперпластификаторы являются синтезируемыми органическими соединениями, применение которых в оптимальных дозировках позволяет получать из малоподвижных бетонных смесей (ОК = 2–4 см) литые или высокоподвижные смеси (ОК = 18–24 см), но главное, что при этом нет потери по прочности во все сроки твердения.

По своему химическому составу все суперпластификаторы (СП) можно условно разделить на четыре группы:

‒ к первой группе относят СП на основе сульфированной меламиноформальдегидной смолы (СП МФ);

‒ ко второй группе относят добавки на основе продуктов поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида (СП НФ);

‒ третья группа объединяет продукты основе поликарбоксилатов и полиакрилатов (СП П);

‒ в четвертую группу включены модифицированные лигносульфонаты (СП ЛСТ).

От известных пластифицирующих добавок, что применялись ранее, современные суперпластификаторы отличаются постоянством своего химического состава и наличием строгого регламентирования технических требований, которые содержатся в соответствующих технических условиях на продукцию.

Следует отметить, что в механизме действия СП типов НФ, МФ, ЛСТ преобладает эффект электростатического отталкивания частиц цемента и стабилизации, вызванный тем, что адсорбционные слои из молекул СП повышают величину ζ(дзета)-потенциала на поверхности цементных частиц. Величина ζ-потенциала зависит от адсорбционной способности СП (причем, чем выше величина адсорбции, тем больше абсолютная величина ζ-потенциала, имеющего отрицательный знак).

В механизме действия СП типа П роль ζ-потенциала меньше, а взаимное отталкивание частиц цемента и стабилизация суспензии обеспечивается за счет преобладающего стерического эффекта. Такое различие многие специалисты связывают со строением молекул СП разных типов: НФ, МФ, ЛСТ характеризуются линейной формой полимерной цепи; для СП типа П характерны поперечные связи и двух- или трехмерная форма. Именно поперечные звенья создают адсорбционную объемную защитную оболочку вокруг частиц твердой фазы, предотвращая слипание частиц и способствуя их взаимному отталкиванию.

Данные некоторых исследований содержать информацию, что силы взаимного отталкивания, вызываемые СП типа П, почти в два раза больше отталкивания, вызываемых МФ и НФ, и втрое больше сил, вызываемых ЛСТ.

Благодаря таким особенностям СП типа П более эффективны, что выражается в сравнительно низких оптимальных дозировках, низкой чувствительности к виду и составу цемента, в длительном сохранении бетонными смесями первоначальной консистенции и в их повышенной связности — нерасслаиваемости. В литературе СП этой группы получили название — «гиперпластификаторы».

Они отличаются от обычных СП высоким водоредуцирующим эффектом (30 % и выше), способностью проявлять пластифицирующий эффект при низких и сверхнизких водоцементных отношениях (0,2 для цементных паст) и низкие рабочие дозировки (~0,2 %). В то же время СП типа П — наиболее дорогие материалы, что приводит к идее совмещения их с другими СП, тем более что подобные комплексы по техническим эффектам превосходят распространенные типы СП.

На первый взгляд может показаться, что будущее однозначно за поликарбоксилатными пластификаторами. Но это поспешный вывод, если рассмотреть этот вопрос подробнее, то становится очевидным, что ведутся всесторонние работы, и какими пластификаторы будут в скором времени сказать сейчас невозможно. Бесспорным является лишь одно — все пластификаторы, доступные на мировом рынке, имеют как свои достоинства, так и недостатки. И, несмотря на большой ассортимент пластифицирующих добавок, потребности производства в них не удовлетворены. Поэтому поиск новых добавок разного строения и назначения — актуальная задача сегодняшних дней.

Наиболее распространёнными в России и в мире в настоящее время являются нафталинформальдегидные суперпластификаторы. Но, несмотря на то, что эффективность данных пластификаторов далека от желаемой, и помимо этого они обладают рядом других недостатков, данные пластифицирующие добавки не только не ушли в прошлое, но и активно используются сегодня. Так в работе А. И. Вовка [3] перечислены неоспоримые преимущества данной добавки и выражено мнение, что эти пластификаторы не только не устарели, но и могут проявить себя в будущем.

Но существует и другое мнение [4], что применение суперпластификаторов на основе сульфированных меламиноформальдегидных или нафталинформальдегидных полимеров нежелательно по экологической безопасности, они являются опасными и высокотоксичными для организма человека, и, помимо этого, содержание в них сульфата натрия может повлечь за собой возникновение сульфатной коррозии бетона, что негативно повлияет на прочностные характеристики. В то же время, СП на основе полиэтиленгликоля не только лишены этих недостатков, но и показатели эффективности у них значительно выше.

Можно отметить и менее популярные точки зрения в этом вопросе. Например, российскими учеными проводятся работы по разработке пластификаторов на углеводной основе. Результаты испытаний этих добавок показали хорошие результаты по отношению к имеющимся на рынке аналогам, хотя работы по их исследованию еще не окончены [5].

Проводятся исследования по созданию пластифицирующих добавок на основе оксифенолфурфурольныхолигомеров (СБ-ФФ и СБ-5), которые по результатам испытаний, представленным в работе [6], значительно превосходят имеющиеся на рыке аналоги. Эффективность олигомеров по степени их влияния на предельное динамическое напряжение сдвига уменьшается в ряду СБ-ФФ > СБ-5 > СБ-Ф > СБ-3 > С-3.

Для удовлетворения все возрастающих современных потребностей строительной отрасли существует большая необходимость в добавках высокой эффективности. Проблему можно попытаться решить наномодифицированием существующих добавок, однако, пока ещё широкого распространения этот метод не получил и находится на стадии исследований и апробации.

На строительных объектах Санкт-Петербурга уже применяются наномодифицированные бетоны. В СПбГАСУ были проведены исследования наномодифицированного бетона. Были выявлены следующие преимущества наномодифицированных полифункциональных добавок:

1. Значительное сокращение стоимости при повышении качества (20–25 %);

2. Сокращение расхода портландцемента до 10–15 %;

3. Повышение подвижности до 1,5 раз без потери первоначальных свойств наномодифицированных бетонных смесей по сравнению с немодифицированными составами;

4. Повышение морозостойкости на 1–3 марки;

5. Повышение долговечности;

6. Повышение водонепроницаемости на 2–3 ступени [7].

Дальнейшие исследования подтвердили перспективность применения наномодифицирования в подвижных и в малоподвижных бетонных смесях, к которым предъявляются повышенные требования по долговечности.

Литература:

1. Изотов В. С. Химические добавки для модификации бетона: монография / В. С. Изотов, Ю. А. Соколова. — М.: Казанский Государственный архитектурно-строительный университет: Изд-во «Палеотип», 2006. — 244 с.
2. Батраков В. Г. Модификаторы бетона: новые возможности и перспективы / В. Г. Батраков // Строительные материалы, 2006. — № 10. — С. 4–8.
3. Вовк А. И. Суперпластификаторы в бетоне: еще раз о сульфате натрия, наноструктурах и эффективности /А. И. Вовк //Технологии бетонов, 2009. — № 5. — С. 18–22.
4. Тарасов В. Н. Отечественные поликарбоксилатные суперпластификаторы производства ООО «НПП «Макромер» для бетона, гипса и строительных смесей /В. Н. Тарасов //Технологии бетонов, 2015. — № 1–2. — С. 16–18.
5. Несветайло В. М. Отечественныйгиперпластификатор для бетона / В. М. Несветайло //Технологии бетонов, 2014. — № 9. — С. 9–11.
6. Слюсарь, А. А. Регулирование реологических свойств цементных смесей и бетонов добавками на основе оксифенолфурфурольных олигомеров /А. А. Слюсарь, Н. А. Шаповалов, В. А. Полуэктова //Строительные материалы, 2008. — № 7. — С. 42–43.
7. Пухаренко Ю. В. Наномодифицированные добавки в бетоны для транспортного строительства /Ю. В. Пухаренко, В. Д. Староверов, Д. И. Рыжов //Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, экономике и практике, 2014. — № 5 (54). — С. 26–30.