Пластификаторы

Пластификаторы (официальное нормативное наименование — пластифицирующие добавки) представляют собой класс химических добавок, предназначенных для целенаправленного изменения реологических свойств бетонных и растворных смесей. Их введение позволяет существенно повысить подвижность смеси без увеличения содержания воды затворения либо, наоборот, снизить водоцементное отношение при сохранении заданной удобоукладываемости. Благодаря такому двойному эффекту пластифицирующие добавки стали неотъемлемым компонентом современного бетоноведения, обеспечивающим получение высококачественных конструкционных материалов с прогнозируемыми эксплуатационными характеристиками. В строительной практике и технической литературе широко укоренилось краткое синонимичное название «пластификатор», однако в нормативных документах (ГОСТ 24211-2008 и др.) используется именно термин «пластифицирующая добавка».

В промышленной практике пластификаторы применяются для решения широкого круга задач: от улучшения перекачиваемости смесей бетононасосами до повышения марочной прочности и долговечности бетона. Их использование позволяет сокращать расход цемента, снижать энергозатраты на виброуплотнение и изготавливать самоуплотняющиеся смеси, способные заполнять густоармированные формы без внешнего механического воздействия. Таким образом, пластифицирующие добавки являются важнейшим инструментом управления качеством бетона на всех этапах — от проектирования состава до возведения конструкций.

История развития

Стремление улучшить пластичность вяжущих композиций прослеживается на протяжении всей истории строительства. Ещё в Древнем Риме при возведении монументальных сооружений в известковые растворы добавляли бычью кровь, животный жир или экстракты растений, что способствовало повышению их адгезии и водоудерживающей способности. В средневековой Европе для тех же целей применяли яичный белок и казеин, хотя механизм их действия оставался неизвестным вплоть до развития коллоидной химии.

Научный подход к пластификации начал формироваться в начале XX века, когда было установлено, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) способны адсорбироваться на поверхности минеральных частиц и изменять свойства дисперсных систем. Первым промышленно значимым пластификатором стала сульфитно-спиртовая барда (ССБ) — побочный продукт целлюлозно-бумажного производства, представляющая собой смесь лигносульфонатов технических. Её применение началось в 1930-х годах и продолжается по сей день благодаря низкой стоимости и доступности.

Качественный скачок произошёл в 1960-е годы с появлением в Японии первых суперпластификаторов на основе сульфонафталинформальдегидных смол (торговая марка «Mighty 150»). В СССР аналогом и наиболее массовой добавкой этого класса стала добавка Суперпластификатор С-3, разработанная в НИИЖБ и внедрённая в промышленное производство в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Эти добавки обеспечивали водоредуцирование до 20—25 % и произвели революцию в технологии производства высокопрочных бетонов. В 1990-х годах появились поликарбоксилатные эфиры — суперпластификаторы нового поколения (часто называемые в коммерческой практике гиперпластификаторами) с эффектом водоредуцирования до 30—40 % и способностью длительно сохранять подвижность смеси. Эти добавки стали основой для производства высокопрочных и сверхвысокопрочных бетонов, используемых в уникальных инженерных сооружениях.

Механизм действия

Пластифицирующий эффект обусловлен комплексом физико-химических процессов на границе раздела фаз в системе «цемент — вода». Центральное место среди них занимает адсорбция молекул ПАВ на поверхности частиц цемента. Полярные функциональные группы пластификатора взаимодействуют с активными центрами минералов клинкера (алита, белита, алюминатов), создавая на поверхности частиц одноимённый отрицательный электрический заряд. В результате электростатического отталкивания происходит разрушение агрегатов — флокул, в которых ранее была механически захвачена вода. Высвободившаяся вода переходит в межчастичное пространство, увеличивая подвижность системы при неизменном общем водосодержании.

Для лигносульфонатов и нафталинсульфонатных добавок преимущественным является электростатический механизм, однако он обладает ограниченной эффективностью во времени из-за постепенной десорбции молекул и расходования добавки на реакцию с ранними продуктами гидратации. Напротив, современные поликарбоксилатные суперпластификаторы действуют преимущественно по принципу стерического отталкивания: их длинные боковые полиэфирные цепи создают пространственный барьер, физически препятствующий сближению частиц. Этот эффект значительно устойчивее к изменению pH среды и температуры, что обеспечивает сохранение подвижности смеси в течение нескольких часов после затворения.

Дополнительным фактором является диспергирующее действие: пластификаторы способствуют более равномерному распределению цементных зёрен в объёме смеси, что увеличивает площадь контакта с водой и ускоряет ранние стадии гидратации. В результате улучшаются не только технологические, но и структурные характеристики формирующегося цементного камня.

Классификация

Существующие пластифицирующие добавки классифицируются по нескольким признакам: химическому составу, степени водоредуцирования и влиянию на кинетику схватывания.

По химической природе

Выделяют четыре основных типа:

• Лигносульфонаты (ЛСТ) — продукты переработки древесины, первые промышленные пластификаторы. Относительно малозатратные, но обладают побочными эффектами: замедляют схватывание и повышают воздухововлечение (до 4—6 %), что при передозировке может существенно снижать прочность. Требуют применения пеногасителей (деаэраторов).
• Нафталинсульфонатные суперпластификаторы (СНФ, например добавка С-3) — высокоэффективные добавки с водоредуцированием до 25 %. Характеризуются хорошей совместимостью с большинством цементов, однако склонны к быстрой потере подвижности смеси ( slump loss) через 30—60 минут после затворения. Также обладают повышенным воздухововлечением.
• Меламинсульфонатные суперпластификаторы (МСФ) — обеспечивают высокий пластифицирующий эффект при относительно небольших дозировках, практически не вовлекают воздух и дают белый (неокрашенный) бетон. Чувствительны к температуре и качеству заполнителей.
• Поликарбоксилатные эфиры (ПЦЭ, «гиперпластификаторы») — наиболее совершенный тип, обеспечивающий водоредуцирование до 40 %, минимальную зависимость от типа цемента и длительное сохранение подвижности (до 2—3 часов). Могут быть синтезированы «под задачу» путём варьирования длины боковых цепей и плотности карбоксильных групп. При передозировке склонны к расслоению смеси и выделению цементного молока на поверхность.

По степени пластифицирующего действия (ГОСТ 24211-2008)

Согласно требованиям ГОСТ 24211-2008, по величине достигаемого эффекта пластифицирующие добавки подразделяются на группы. При исходной осадке стандартного конуса 2—4 см и при условии сохранения или повышения прочности бетона на сжатие различают:

• I группа (суперпластификаторы) — осадка конуса 21 см и более;
• II группа — осадка конуса 16—20 см;
• III группа — осадка конуса 11—15 см;
• IV группа — осадка конуса 6—10 см.

Следует отметить, что термин «гиперпластификатор» не является нормативным и используется в коммерческой и инженерной практике для обозначения наиболее эффективных поликарбоксилатных добавок, обеспечивающих осадку конуса свыше 25 см при минимальном водоредуцировании.

Влияние на свойства бетонной смеси и бетона

Введение пластификатора оказывает системное влияние на технологические и эксплуатационные характеристики бетона, что делает его универсальным средством управления качеством.

Свойства бетонной смеси

Прежде всего, пластификаторы повышают удобоукладываемость, что особенно важно при бетонировании конструкций с густым армированием или сложной конфигурацией. Снижение внутреннего трения между частицами позволяет смеси легче заполнять опалубку и обтекать арматурные стержни без образования раковин и пустот. Одновременно улучшается перекачиваемость, что уменьшает риск расслоения при транспортировании бетононасосами на значительные расстояния. Кроме того, пластификаторы стабилизируют структуру смеси, снижая водоотделение и расслаиваемость.

Вместе с тем при применении пластификаторов необходимо учитывать побочные эффекты, связанные с воздухововлечением. Лигносульфонаты и нафталинсульфонатные добавки способны вовлекать в бетонную смесь до 4—6 % воздуха, что при отсутствии контроля приводит к снижению прочности затвердевшего бетона примерно на 5% на каждый процент вовлечённого воздуха сверх проектного значения. Для компенсации этого эффекта применяют деаэраторы (пеногасители) либо учитывают вовлечённый воздух при подборе состава. Поликарбоксилатные эфиры, напротив, практически не вовлекают воздух, но при превышении оптимальной дозировки могут вызывать выраженное расслоение смеси, сопровождающееся водоотделением и осаждением крупного заполнителя.

Свойства затвердевшего бетона

Главный эффект для затвердевшего бетона заключается в возможности снижения водоцементного отношения (В/Ц) при сохранении подвижности. Согласно фундаментальному закону прочности бетона — закону водоцементного отношения (в зарубежной литературе известен как "закон Абрамса", в отечественной — как "закон Боломея — Скрамтаева"), уменьшение В/Ц ведёт к нелинейному росту прочности на сжатие (вид кривой дан в статье Водоцементное отношение).

Уплотнение структуры цементного камня за счёт снижения капиллярной пористости обеспечивает повышение водонепроницаемости и морозостойкости. Уменьшение объёма открытых пор снижает проницаемость для агрессивных сред, что увеличивает срок службы конструкций в условиях попеременного замораживания и оттаивания, а также в хлоридсодержащих средах. Кроме того, пластификаторы косвенно способствуют экономии цемента: требуемые прочностные показатели достигаются при меньшем расходе вяжущего, что актуально как с экономической, так и с экологической точек зрения (снижение углеродного следа бетонного производства).

Дозирование и технология применения

Эффективность пластификатора в значительной степени определяется правильностью его дозирования и способом введения в смесь. Оптимальная дозировка устанавливается экспериментально для каждой конкретной рецептуры и зависит от типа цемента (особенно от содержания трёхкальциевого алюмината C₃A), минерального состава заполнителей, требуемой подвижности и условий твердения.

Рекомендуемые дозировки

Типовые дозировки (в пересчёте на сухое вещество от массы цемента) существенно различаются в зависимости от химической природы добавки:

• Лигносульфонаты (ЛСТ): 0,2—0,5 %. Превышение 0,5 %, как правило, приводит к существенному замедлению схватывания и набору прочности в раннем возрасте, а также к избыточному воздухововлечению.
• Нафталинсульфонатные (С-3): 0,5—1,5 %. При дозировках свыше 1,2 % эффект водоредуцирования возрастает незначительно, тогда как побочные эффекты (замедление, воздухововлечение) усиливаются.
• Поликарбоксилатные эфиры: 0,1—0,5 % (в отдельных случаях до 1,0 %). Чрезвычайно чувствительны к передозировке: превышение оптимальной дозы может вызвать мгновенное расслоение смеси, обильное водоотделение и снижение ранней прочности.

Технология введения

Технологические рекомендации по применению пластификаторов включают следующие положения:

• Жидкие добавки следует вводить вместе с водой затворения, предпочтительно на финальной стадии загрузки компонентов в смеситель. Не допускается введение добавки в концентрированном виде непосредственно на сухой цемент, так как это может вызвать локальную преждевременную адсорбцию и потерю эффективности.
• Сухие порошкообразные добавки необходимо предварительно растворять в воде затворения либо, при допущении производителя, вводить в сухую смесь с последующим тщательным перемешиванием.
• После введения добавки необходимо обеспечить интенсивное перемешивание в течение не менее 1—2 минут для достижения гомогенного распределения.

Приём отложенного введения

Особое значение при работе с поликарбоксилатными суперпластификаторами имеет приём отложенного введения (англ. delayed addition). Добавку вводят не одновременно с водой затворения, а через 1—2 минуты после начала перемешивания цемента с водой. За это время трёхкальциевый алюминат (C₃A) частично гидратируется и теряет способность необратимо адсорбировать молекулы ПЦЭ, что предотвращает преждевременное «связывание» добавки и резко снижает потерю подвижности смеси во времени. Этот приём позволяет сократить расход ПЦЭ на 15—30 % при сохранении того же пластифицирующего эффекта.

В зимних условиях при применении противоморозных добавок необходимо учитывать их совместное влияние на пластифицирующий эффект и сроки схватывания, проводя предварительные лабораторные испытания. Несовместимость отдельных противоморозных компонентов (например, нитрита натрия или формиата кальция) с поликарбоксилатными добавками может приводить к непредсказуемому изменению реологии смеси.

Нормативные документы

• ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия»;
• ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности»;

См. также

• Добавки для бетонов и растворов
• Водоцементное отношение
• Удобоукладываемость бетонной смеси
• Лигносульфонаты технические
• Самоуплотняющийся бетон
• Ускорители схватывания и твердения
• Воздухововлекающие добавки
• Гиперпластификатор
• Флокуляция
• Осадка конуса

Литература

//

• Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. — М., 1998. — 768 с.
• Баженов Ю.М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ, 2002. — 500 с. — ISBN 5-93093-138-0.
• Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Специальные бетоны. — М.: Инфра-Инженерия, 2012. — 368 с.
• Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. — М.: Палеотип, 2006. — 244 с. — ISBN 5-94727-300-4.
• Ли Ф.М. Химия цемента и бетона. — М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. — 645 с.
• Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. — М.: Стройиздат, 1989. — 188 с. — ISBN 5-274-00566-7.
• Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. Добавки в бетон. Справочное пособие. — М.: Стройиздат, 1988. — 575 с. — ISBN 5-274-00208-0.
• Тейлор Х. Химия цемента. — М.: Мир, 1996. — 560 с. — ISBN 5-03-002731-9.

//