Суперпластификатор

Суперпластификаторы — добавки для бетона и строительных растворов. Это органические и неорганические вещества или их смеси (комплексы), за счет введения которых в состав бетонов и бетонных смесей регулируются направленно и контролируемо свойства этих бетонов и этих смесей. Целью применения добавок является снижение затрат на строительство (в том числе экономия цемента), модификация качественных и функциональных характеристик бетона, сохранения его свойств при подготовке бетонной смеси к укладке, вибрированию, твердению. Их подразделяют на две группы. К первой относятся химические вещества, вводимые в бетон в небольшом количестве для изменения в необходимом направлении свойств бетонной смеси и бетона. Ко второй относят тонкомолотые материалы (золы, молотые шлаки, пески, отходы камнедробления), добавляемые в бетон в количестве 5-20 % и более для экономии цемента или для получения плотного бетона при малых расходах цемента. Также добавлением таких добавок можно придать бетонам специальные свойства (повышающие плотность, жаростойкость, изменяющие электропроводимость, окрашивающие и т. п.).

Классификация

Учитывая многообразие изменений свойств бетонных смесей и бетонов, достигаемое путем модифицирования с помощью органических и неорганических соединений, предложена классификация добавок, построенная с учетом основного технологического или технического эффекта действия. Она положена в основу ГОСТа 24211-03 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия». В нем выделяются основные классы модификаторов, позволяющих:

• обеспечивать реологические свойства бетонных смесей, их сохраняемость во времени;
• регулировать процессы схватывания и твердения бетонов, кинетику их тепловыделения;
• создавать бетоны повышенной коррозионной стойкости, морозостойкости, водонепроницаемости;
• придавать бетону специальные свойства.

В зависимости от назначения (основного эффекта действия) добавки делятся на виды:

Добавки, которые регулируют свойства бетонных и растворных смесей

• пластификаторы:
  • пластификаторы I группы (суперпластификаторы);
  • пластификаторы II группы (сильнопластифицирующие);
  • пластификаторы III группы (среднепластифицирующие);
  • пластификаторы IV группы (слабопластифицирующие);
• стабилизирующие (способствуют снижению расслаиваемости бетонной смеси);
• водоудерживающие;
• добавки, улучшающие перекачивание бетона;
• добавки, улучшающие сохраняемость бетонных смесей(способствуют ускорению или замедлению потери подвижности бетонной смеси во времени);
• добавки, замедляющие схватывание;
• добавки, ускоряющие схватывание;
• поризующие (способствуют целенаправленному образованию в теле бетона воздушных и других газообразных пор);
• воздухововлекающие (поверхностно-активные органические вещества (ПАВ, вовлекающие в бетонную смесь при её перемешивании мелкодисперсного воздуха, равномерно распределенного в бетоне);
• пенообразующие (ПАВ, дающие возможность получить техническую пену требуемой кратности стойкости, которые при смешивании с компонентами бетонной смеси позволяют получать бетоны ячеистой или поризованной структуры);
• газообразующие (вещества, способные выделять газ за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента).

Добавки, регулирующие твердение бетонов и растворов

• замедлители (Гипс, ...);
• ускорители (Хлорид кальция, Жидкое стекло, ...).

Добавки, которые повышают прочность и (или) коррозионную стойкость, морозостойкость бетона и железобетона, а также снижают проницаемость бетона

• водоредуцирующие I, II, III, IV групп;
• снижающие проницаемость (абиетат натрия{омыленная канифоль});
  • кольматирующие поры;
  • газообразующие;
  • воздухововлекающие (абиетат натрия{омыленная канифоль});
• добавки, повышающие защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре (ингибиторы коррозии стали);
• повышающие морозостойкость;
• повышающие сульфатостойкость;
• повышающие стойкость против коррозии, вызванной реакцией кремнезема заполнителей со щелочами цемента и добавок;
• регулирующие процессы усадки и расширения.

Добавки которые придают бетонам и растворам специальные свойства

• противоморозные (снижающие температуру замерзания воды в бетоне и обеспечивающие твердение бетона при отрицательных температурах);
• гидрофобизирующие (вещества, придающие стенкам пор и капилляров в бетоне гидрофобные (водоотталкивающие) свойства);

биоцидные (вещества, обеспечивающие биостойкость бетонов и растворов);

• повышающие стойкость к высолообразованию.

Минеральные добавки являются отдельной группой добавок в бетон, которые вводят при помоле цементного клинкера или непосредственно в бетонную смесь. Они представляют собой природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном состоянии с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. В качестве природных активных минеральных добавок широко используют осадочные горные породы (диатомит, трепел, опоку) и породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу). Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: гранулированные доменные шлаки, отходы, получаемые при сжигании твердого топлива — зола-унос, отход производства ферросилиция — микрокремнезем. Активные минеральные добавки применяют для повышения плотности, водостойкости, солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них используют для приготовления жароупорных бетонов и растворов на портландцементе.

Общие сведения по технологии производства и механизму действия добавок

Пластификаторы

Искусственные химические добавки-модификаторы, представляют собой вязкие растворы или порошкообразные материалы, растворимые в воде с образованием слабощелочных или нейтральных растворов. Это могут быть чистые неорганические вещества, их смеси, органические соединения, органоминеральные комплексы. Модификаторы могут быть синтезированы специально, или являться побочными продуктами других производств. Химические органические добавки являются продуктами органического синтеза целлюлозных соединений или переработки отходов лесохимии, целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, агрохимии и др. Наиболее распространенный представитель органических химических добавок (модификаторов) — это поверхностно-активные вещества (ПАВ), на их основе могут быть получены практически любые функциональные типы добавок. ПАВ по-разному проявляют активность и направление действия. Наиболее эффективным видом ПАВ являются суперпластификаторы. Воздействуя на процессы формирования структуры, особенно на начальной стадии, суперпластификторы изменяют реологические свойства цементной системы, способствуют сокращению её водопотребности, что в дальнейшем отражается на параметрах кристаллизационной структуры. Суперпластификаторы классифицируют по одному из двух признаков: по составу материалов и по основному эффекту в механизме действия (электростатического или стерического). Различают суперпластификаторы на основе сульфированных нафталинформальдегидных поликонденсатов, на основе сульфированных меламинформальдегидных поликонденсатов, на основе очищенных от сахаров лигносульфонатов, на основе поликарбоксилатов и полиакрилатов. В механизме действия последних преобладает стерический эффект (с большим отталкиванием частиц), и эти суперпластификаторы считаются более эффективными, что предполагает их меньший расход. Поликарбоксилаты и полиакрилаты наиболее дорогие, поэтому целесообразно их совмещение с другими пластификаторами. Суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов обеспечивают также высокую сохраняемость бетонных смесей, что делает их привлекательными для монолитного строительства и при продолжительном транспортировании бетонных смесей.

Ускорители твердения

Химические неорганические добавки являются в своем большинстве электролитами. По механизму действия их подразделят на добавки, изменяющие растворимость минеральных вяжущих материалов, добавки, вступающие с этими минералами в химические реакции, добавки, являющиеся центрами кристаллизации. К этим группам относятся многие ускорители схватывания и твердения, противоморозные добавки и пр. Наиболее яркий представитель этой группы хлорид кальция, являющийся, в первую очередь, добавкой-ускорителем твердения. Скорость гидратации в его присутствии возрастает в 1,5-2 раза. При дозировках, не превышающих 2 %, гидратация не сопровождается деструктивными процессами. При больших концентрациях образуется соединение кальция, разложение которого в цементном камне при положительных температурах является причиной нарушения структуры и снижения прочности цементного камня. В бетоне остаются свободные хлориды, и именно они интенсифицируют коррозию стали в железобетоне. Хлорид натрия, являясь эффективным ускорителем твердения бетона, обуславливает снижение прочности камня при его увлажнении. Все это служит серьезными аргументами за разумное ограничение применения хлоридов в бетонных смесях.

Противоморозные добавки

При замерзании жидкой фазы бетона (цементного теста) его твердение останавливается и возобновляется после оттаивания. При температурах −10оС и ниже гидратация цемента практически прекращается, останавливается процесс тепловыделения, отсутствует заметный набор прочности. Замерзание химически не связанной воды затворения в бетоне приводит к резкому увеличению пористости цементного камня, а при высоких расходах воды — к разрушению бетона. Эти обстоятельства сильно затрудняют проведение бетонных работ в условиях пониженных температур, особенно при возведении монолитных конструкций. В соответствии со СН и П III-15-76 запрещается производство бетонных работ без применения специальных методов выдерживания бетона при ожидаемой среднесуточной температуре ниже +5оС и минимальной суточной температуре ниже 0оС. Соответствующий холодный период в разных районах России длится от 3 до 10 месяцев. Поэтому применение и совершенствование методов зимнего бетонирования является весьма актуальной задачей. Для предотвращения замерзания бетона используют различные методы: прогрев бетона, термосное выдерживание и применение противоморозных добавок (возможно в сочетании с первыми двумя методами). Основными и традиционными соединениями, применяемыми в качестве противоморозных добавок являются NaCl, CaCl2, NaNO2, NaNO3, NH4NO3, Ca(NO3), NH4OH, K2CO3, Na2CO3. Органические антифризы по разным причинам практически не применяются, однако разработанные на их основе добавки, включающие также неорганические соли и пластификаторы, по существу являются вторым поколением противоморозных добавок. Эффективность применения противоморозной добавки во многом зависит от величины снижения температуры замерзания жидкой фазы бетона. Однако наличие жидкой фазы при отрицательных температурах обеспечивает крайне медленное твердение. Очевидно, что противоморозная добавка должна работать как ускоритель твердения до технологически оправданных временных интервалов. Применение бетонов с противоморозными добавками ограничивается медленным твердением бетона (вследствие чего проектная прочность достигается через 2-3 месяца); опасностью появления высолов и негативного влияния на структуру, свойства бетона и сохранность арматуры при введении добавки в количествах превышающих 10 % по массе цемента.

Добавки из отходов производства

В качестве добавок-модификторов широкое применение на местах находят различные отходы промышленности, её побочные продукты. Эффективность подобных веществ ниже, чем специальных добавок, что компенсируется увеличенными их дозировками. Повышение дозировки, в свою очередь, увеличивает вероятность всевозможных отрицательных проявлений, начиная от «сопутствующих эффектов» и заканчивая «отравлением» вяжущего или увеличением содержания в бетоне органической фазы, то есть возрастания склонности к биологической коррозии.

Комплексные модификаторы

Большинство добавок, улучшая одни характеристики бетонной смеси или бетона, иногда не изменяют, а зачастую ухудшают другие характеристики. Комплексные добавки многофункциональны и способны влиять сразу на несколько характеристик бетонной смеси и бетона. Состав таких добавок можно «проектировать» таким образом, чтобы их компоненты усиливали эффекты, обеспечиваемые каждым из них в отдельности. Применение комплексных добавок позволяет добиваться универсальности их действия в бетонных смесях и бетонах разного состава, приготовленных на различных цементах. Условно все комплексные добавки можно разделить на три группы: смеси электролитов; смеси поверхностно-активных веществ; смеси электролитов и поверхностно-активных веществ. При выборе добавки и определении дозировки необходимо четко представлять роль каждого компонента в полифункциональном модификаторе. Основное назначение добавок первой группы — устранение коррозионного воздействия отдельных компонентов на арматуру и бетон; регулирование сроков схватывания и твердения в широких интервалах изменения вещественного и минерального состава цемента на свойства бетонных смесей и бетонов. В подавляющих случаях добавки второй группы применяют для повышения морозостойкости бетона, приготовленного из пластичных и высокоподвижных бетонных смесей; удлинение срока схватывания бетонных смесей, особенно при транспортировании их на большие расстояния и при бетонировании в условиях сухого и жаркого климата. Наиболее эффективными модификаторами являются комплексные добавки третьей группы. Введением электролитов улучшаются структурно-механические характеристики бетонов, и регулируется темп их твердения. Поверхностно-активные вещества позволяют регулировать подвижность бетонных смесей, её воздухосодержание, придают бетонам бактерицидность, гидрофобность и пр. Действие отдельных компонентов добавки в большинстве случаев самостоятельно, однако иногда электролиты изменяют физико-химические свойства поверхностно-активных веществ, изменяя эффективность их действия. Периодически при использовании комплексных добавок возникает проблема совместимости их компонентов. В этом случае отдельные компоненты вводят раздельно с перемешиванием бетонной смеси в несколько стадий. Создание комплексных добавок в виде готового товарного продукта, не изменяющего своих свойств при транспортировании и хранении, позволяет решить эту проблему. Выбор добавок должен производиться в зависимости от технологии приготовления бетонной смеси и изготовления конструкций и изделий с учетом влияния добавок на свойства бетонной смеси и бетона. Выбор добавок для бетонов, к которым предъявляются специальные требования по долговечности (морозостойкости, коррозионной стойкости, водонепроницаемости и пр.) следует производить по ведущему агрессивному воздействию. Добавки-модификаторы можно вводить в бетонную смесь, а можно и не делать этого. В отдельных случаях рекомендуется обязательное их введение. Суперпластификаторы используют для приготовления литых высокоподвижных смесей, получения бетонов классов В30-В40; воздухововлекающие, пластифицирующе-воздухововлекающие и газообразующие — для производства бетонов повышенной и высокой морозостойкости и водонепроницаемости; воздухововлекающие — для изготовления изделий из конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов. Оптимальная дозировка добавок устанавливается экспериментально при подборе состава бетона. Количество уплотняющих добавок, ускорителей твердения и ингибиторов коррозии стали, в том числе и в составе комплексных добавок, не должно превышать 1,5-3,0 % массы цемента. В ряде случаев, обусловленных видом конструкций или условиями их эксплуатации, применение добавок подобного действия не допускается.

Минеральные добавки

Среди техногенных добавок, проявляющих пуццолановую активность и вяжущие свойства, особое внимание уделяется аморфному кремнезему, названному первооткрывателями Microsilica. Microsilica является высокоактивным пуццоланом и стала известной в результате научно-практических работ скандинавских ученых. В 1952 г. появились первые публикации; в 1976 г. норвежское Бюро стандартов включило микросилику в перечень допустимых вяжущих веществ и бетонов. Сейчас её используют при любом ответственном строительстве, а мировым монополистом в производстве микросилики и владельцем патентов на технологию её изготовления является норвежский концерн ELKEM ASA. В физическом смысле микросилика (аморфный микрокремнезем) является пылью, которую образуют микроскопические шарики (микросферы) размером 0,1-0,3 мкм. В бетонных смесях и строительных растворах микросилика действует двояко: сферическая форма частиц содействует усилению «подшипникового» эффекта, а кремнезем проявляет «пуццолановую» активность. Наличие миллионов микросфер облегчает перемещение различных компонентов бетонной смеси по отношению друг к другу. Это способствует повышению равномерности распределения компонентов, повышению удобоукладываемости смеси и её перекачиваемости, что особенно важно в случае применения бетононасосов при высотном строительстве. При затворении бетонной смеси водой и гидратации клинкерных минералов образуется ряд химически активных веществ, к которым, в первую очередь, следует отнести гидраты окиси кальция и силиката кальция, который (сначала в виде геля, а потом кристаллической структуры) во многом определяет прочность цементного камня и бетона. Добавление в бетонную смесь микрокремнезема создает условия для превращения нестабильной и растворимой гидроокиси кальция в кристаллический гидрат силиката кальция. В результате возрастают прочность и химическая стойкость бетона, а микросферы плотно заполняют пространство, освобождаемое химически связанной водой. Значительно растущая плотность структуры бетона повышает как его прочность, так и водонепроинцаемость, а следовательно, и долговечность бетонного камня, его стойкость к факторам коррозии. В России ученые также исследовали и использовали свойства активного кремнезема при получении рецептур добавок-модификаторов бетона. Сотрудниками НИИЖБ синтезированы добавки как содержащие микросилику(микрокремнезём), так и её смесь с золой-унос, другими компонентами, содержащими аморфный кремнезем. В качестве добавок могут рассматриваться материалы для механического укрепления бетона: полипропиленовые волокна, металлическая фибра и стружки. Которые не образуют единого арматурного каркаса, но способствуют повышению прочности бетона на изгиб и при срезывающих нагрузках. Вводят волокна или фибру на стадии приготовления бетонных смесей.