Получение бетонных смесей с высокой удобоукладываемостью с помощью суперпластификаторов открыло путь для распространения малоэнергоемких технологий на основе самоуплотняющихся литых бетонных смесей. Применение суперпластификаторов рассматривается сегодня как наиболее технологичный способ повышения удобоукладываемости без увеличения водоцементного отношения бетонных смесей. Установлено, что удобоукладываемость цементных паст обуславливается диспергирующим эффектом суперпластификаторов, который связан с кинетикой гидратации цемента и адсорбцией полимеров. Водопонижение при использовании суперпластифицирующих добавок наблюдается для всех типов цемента, но цементы разного минералогического состава реагируют на присутствие пластификаторов в разной степени. Повышение эффективности действия суперпластификатора в бетонах с карбонатным наполнителем позволит значительно повысить их качество и долговечность.
Из числа применяемых суперпластификаторов на сегодня не потеряли актуальность нафталиноформальдегидные суперпластификаторы, содержащие в своем составе некоторое количество (обычно 10-12%) сульфата натрия. Растворимость сульфата натрия имеет выраженную температурную зависимость: при температуре ниже 32,4 °С из раствора кристаллизуется не безводная соль, а декагидрат Na2S04-10H2О (рис. 1). Вследствие этого содержание свободной воды в системе понижается, что приводит к усилению выделения осадка.
Пластификация цементных систем (в общем случае, минеральных суспензий) предполагает адсорбцию суперпластификатора на поверхности частиц твердой фазы, в частности, гидратных новообразованиях.
Рис. 1. Температурная зависимость растворимости сульфата натрия
Наиболее быстро гидратирующейся фазой клинкера является С3А. Алюмосодержащие фазы обладают также наибольшей активностью по отношению к суперпластификатору. Гидратирующийся С3А может взаимодействовать и с нафталиноформальдегидным суперпластификатором, и с сульфат-анионом, и эти процессы являются конкурирующими.
Высокая подвижность пластифицированной бетонной смеси может быть обеспечена только при наличии в жидкой фазе достаточного количества свободного суперпластификатора. Введение сульфата натрия совместно с нафталиноформальдегидным полимером приводит к увеличению кажущейся подвижности, и сохраняемости – более чем в 2 раза.
Если использовать цемент с недостаточным содержанием регулятора структурообразования (гипса), в начальный момент времени в жидкой фазе бетонной смеси будет статистически оптимальное количество применяемого суперпластификатора и недостаток сульфат – аниона. При слабой конкуренции сульфат-аниона на таком цементе будет связываться большее, чем обычно, количество суперпластификатора. В результате подвижность такой бетонной смеси может катастрофически быстро (за несколько минут) снижаться до неприемлемых значений.
Применение суперпластификаторов четвертого поколения
Новые концепции бетоноведения позволили, в основном за счет применения ПАВ – суперпластификаторов четвертого поколения поликарбоксилатного или акрилатного типов и дисперсных минеральных добавок, получать высокоподвижные бетонные смеси с низким водо- и воздухо- содержанием, а также с очень высокими показателями прочности, плотности, долговечности. Отказ от виброобработки – положительная особенность самоуплотняющихся бетонов.
Таким образом, в случае применения суперпластификаторов наиболее обсуждаемое противоречие – необходимость длительного сохранения удобоукладываемости смесей и обеспечения заданного темпа нарастания ранней прочности. Падение подвижности вызывается гидратацией, переходом воды из свободного в связанное состояние, а также ее испарением. Другое нежелательное явление – значительное воздухововлечение, часто пропорциональное продолжительности перемешивания в автобетоносмесителе. Оба примера – потенциальные причины непрогнозируемого снижения прочности бетона. В этом смысле эффективно поэтапное, запоздалое введение (delayed addition) пластификатора непосредственно перед укладкой бетонной смеси.
Исследования в области разработки методов снижения водопотребности при сохранении удобоукладываемости бетонных смесей в присутствии суперпластификаторов позволили реализовать идею повышения подвижности бетонных смесей с низким водоцементным отношением, за счет оптимизации трех показателей – вязкости цементного клея, зернового состава заполнителя и плотности бетонных смесей. Оптимальное сочетание этих показателей таково, что зерна заполнителя удерживаются во взвешенном состоянии, придавая текучесть бетонной смеси до затвердевания.
В начале 80-х годов в Японии был заявлен первый патент на группу поликарбоксилатных суперпластификаторов. В Западной Европе они завоевали более половины объема рынка суперпластификаторов. Сначала их применяли на заводах железобетонных изделий, а затем для товарного бетона, где требовалось длительное сохранение консистенции – 90 мин и более. Применение поликарбоксилатных суперпластификаторов повышает уплотняемость бетона и позволяют снизить расход цемента. В главной цепи полимера – группы молекул с отрицательным электрическим зарядом – карбоксилатные группы. Боковые цепи – полиэфир. Принцип действия поликарбоксилатных (PSE) суперпластификаторов – диспергирование вследствие стерического отталкивания. На адсорбционную способность суперпластификатора оказывает влияние количество карбоксилатных групп в главной цепи, фаза С3А и содержание ионов сульфатов.
Введение микронаполнителя из осадочных карбонатных пород в данном случае повышает возможность регулирования вязкости цементного клея и позволяет оказывать влияние на сокращение индукционного периода.
Исследования, посвященные изучению эффективности введения карбонатного щебня крупностью 5-10 мм и карбонатного наполнителя с удельной поверхностью 350 м2/кг с применением суперпластификатора Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира в составах самоуплотняющихся бетонных смесей, получаемых по безвибрационной технологии, позволили выявить закономерности формирования прочности при сжатии материала в зависимости от содержания вышеназванных переменных факторов. Графический вид данных зависимостей представлен на рис. 2.
Рис. 2. Влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем на прочность самоуплотняющихся бетонных смесей
Содержание карбонатного наполнителя принималось в диапазоне 30 – 170 кг на 1 м3 бетона. Общее содержание вяжущего и наполнителя в составах принималось постоянным и составляло 540 кг 1 м3 бетона, содержание щебня составляло от 30 до 50 % от насыпного объема. Количество вводимого в составы химический модификатор Glenium®51 принималось постоянным и составляло 2 % от общей массы вяжущего и минерального наполнителя.
Представленная зависимость очевидно отражает, рациональность замены доли вяжущего минеральным компонентом (наполнителем) в составах с содержанием карбонатного щебня крупностью 5-10 мм в диапазоне 30-40 %.
В целом установлено, что введение в рецептуру бетонов, содержащих карбонатный наполнитель, и изготавливаемых по безвибрационной технологии, химического суперпластификатора Glenium®51 в количестве до 2 % от общей массы вяжущего и минерального наполнителя, позволяет получить материал с показателем прочности 34 – 46 МПа.
