Какво научихме от поликарбоксилния суперпластификатор през последните 20 години?

Преди около 20 години нов тип суперпластификатор на базата на поликарбоксилатни полимери (PCE) беше представен на северноамериканския строителен пазар за бетон. Точно както въвеждането на добавки на базата на нафталин през 70-те години на миналия век значително подобри различните инженерни свойства както на пресния, така и на втвърдения бетон, поликарбоксилатите допълнително повишиха характеристиките на бетоновите смеси.

Например PCE позволиха разработването на самоуплътняващ се бетон и поддържаха задържане на слягане за повече от два часа, без значително да удължават времето за втвърдяване. Имах привилегията да бъда част от екипа за научноизследователска и развойна дейност и маркетинг на голяма компания за химически добавки, която пусна първата серия от продукти на базата на поликарбоксилат през 90-те години. Както всички нови технологии, въведени в строителния сектор, има стръмна крива на обучение, подчертавайки разнообразния набор от материали и приложения в бетонната конструкция. Тази статия обобщава някои ключови характеристики на ефективността, получени както от търговски приложения, така и от лабораторни изследвания. Предимствата на поликарбоксилатните суперпластификатори са били обсъждани и публикувани в The Concrete Producer.

Семейството на поликарбоксилатите

Терминът "поликарбоксилат" обхваща огромно семейство от полимери, които химиците могат да проектират, за да придадат специфични характеристики на бетонови смеси. След въвеждането на PCE суперпластификатори с общо предназначение, по-нови продукти са разработени специално, за да предложат висока начална якост и различни нива на задържане на слягане, както и различни възможности за управление на съдържанието на въздух в бетона. Един клас поликарбоксилати минимално засяга първоначалното спадане, но разполага с функция за освобождаване във времето, която позволява спадането да се увеличи предсказуемо с удължаване на времето за смесване (вижте Фигура 1). Следователно, този тип продукт може да се добавя в различни дози към предварително смесен бетон, за да се постигне желаното задържане на слягане въз основа на работните условия (време за транспортиране, температура, забавяне преди изхвърляне и т.н.). Често суперпластификаторът се формулира, като се използва смес от два или повече PCE, за да се постигне комбинация от ранна якост и удължен живот на спадане. Изследователите ще продължат активно да коригират PCE полимерната структура, за да се адаптират към променящите се изисквания за материали и конструкция.

• Въздушно улавяне

Почти всички смеси на основата на поликарбоксилат са формулирани с пеногасител за управление на нежеланото улавяне на въздух, обикновено свързано с PCE полимерите. Както за приложения с въздушен, така и за невъздушен бетон, съдържанието на въздух може като цяло да се контролира ефективно чрез избор на PCE суперпластификатор, който е най-съвместим с използваните материали. Променливостта на съдържанието на въглерод в летливата пепел може да усложни последователното управление на съдържанието на въздух, тъй като хидрофобната природа на пеногасителите може да доведе до тяхната адсорбция от въглерода в летливата пепел. Като цяло продуктите на основата на PCE могат да подобрят ефективността на въздуховъвличащите добавки (AEA) в сравнение със суперпластификаторите на основата на полинафтален сулфонат (PNS), което позволява по-ниска доза AEA за постигане на еквивалентно съдържание на въздух.

• Въздействие на глините

За разлика от PNS суперпластификаторите, PCE полимерът се адсорбира лесно и необратимо от определени глинени частици, които могат да присъстват в различни източници на агрегати. Фигура 2 илюстрира как пясък, съдържащ глина със стойност на метиленово синьо 1,30, може да повлияе на необходимите дози на PNS спрямо базирани на PCE суперпластификатори за постигане на съвместим спад. Обикновено, с пясъци без глина или с ниско съдържание на глина, PCEs се дозират на около една трета от количеството на базираните на PNS суперпластификатори за подобен спад. Въпреки това, когато глини присъстват в определени пясъци, може да е необходима доза PCE до 50% по-висока от PNS. По този начин, ако възникне неочаквано увеличение на дозата на суперпластификатор PCE, трябва да се даде приоритет на проверката за глинени частици в доставките на инертни материали.

• Гъвкаво дозиране

За разлика от базираните на PNS суперпластификатори, които винаги трябва да се добавят по забавен начин (т.е. след като циментът и водата са започнали да се смесват), PCE са относително нечувствителни към времето на добавяне, което позволява по-голяма гъвкавост по време на процеса на дозиране на бетона.

• Несъвместимост с PNS суперпластификатори

Използването на PCE и продукти на основата на PNS в една и съща бетонова смес може да доведе до бърза загуба на обработваемост. Следователно тези две технологии, PNS и PCE, не трябва да се комбинират в една и съща бетонна смес.

• Силна синергия с калциеви ускорители на втвърдяване

Когато PCE суперпластификатори се използват заедно с ускорители на втвърдяване и инхибитори на корозия, които съдържат калциеви соли, се наблюдава неочаквано повишаване на якостта в сравнение с подобни бетонови смеси, които използват продукти на основата на PNS. Тази синергия в повишаването на якостта беше забелязана за първи път в смес, съдържаща инхибитор на корозията на базата на калциев нитрит. Данните, обобщени в таблица 1, бяха докладвани от производител на бетон, който преди това е използвал комбинация от базиран на лигносулфонат ASTM C494 тип A воден редуктор и тип G PNS/базиран суперпластификатор на лигнин за производство на предварително напрегнати пилоти.

Забележителната разлика в якостта, постигната просто чрез превключване на суперпластификатора от PNS към поликарбоксилат, е потвърдена чрез научно изследване и може да помогне за намаляване на съдържанието на цимент, като същевременно отговаря на изискванията за якост. Интересното е, че разликата в якостта изглежда не е свързана с повишена топлина на хидратация, а по-скоро с по-плътна микроструктура, получена от комбинацията от ускоряващи или инхибиращи корозията добавки на базата на калций и добавки на базата на поликарбоксилат.

Суперпластификаторът PCE замени както PNS/лигнин, така и продуктите за намаляване на водата тип А при около една трета от дозата. Освен това, трябва да се отбележи, че дозировката на AEA, необходима за постигане на същото съдържание на въздух, е намалена с 50% в бетона, примесен с PCE.

В обобщение, макар бетонната индустрия да е придобила значителни познания в използването на гъвкавостта и разбирането на ограниченията на PCE суперпластификаторите, химиците, в сътрудничество с бетонови технолози, ще продължат да модифицират полимерните структури, за да разработят нови възможности за производство, поставяне и разширяване на услугата живот на бетонови смеси.