Новые суперпластификаторы на основе поликарбоксилата
Сообщение, сделанное сотрудниками фирмы Sika Лейфом Холмбергом, Мартином Ханссоном и Йенсом Энгстрандом (Швеция) на 6-й международной конференции для производителей «Сухие строительные смеси для XXI века: технологии и бизнес» (BaltiMix 2006).
Специализированные исследования и разработки привели к появлению новых типов поликарбоксилатных суперпластификаторов. Новые продукты превосходят традиционные по сокращению количества воды, сохранению обрабатываемости, усадке, не говоря об остальных параметрах. С помощью новой технологии возможно создавать полимеры для различных типов цемента, но это также означает, что каждая полимерная структура по-разному ведет себя в различных цементах. Новые типы продуктов успешно использовались для изготовления как готовых бетонных смесей, так и сборного железобетона. В рамках этих применений использование поликарбоксилатных суперпластификаторов является необходимым условием обеспечения реологических свойств разжиженной самоуплотняющейся бетонной смеси. Технология развивается дальше, и сейчас существуют поликарбоксилаты в форме порошка. Это означает возможность оптимизации характеристик продукции, а также свойств различных типов растворов. Несомненно, требуется изменение рецептур растворов, но эксплуатационные свойства новых продуктов явно стоят того.
В течение многих лет предпринимались более или менее успешные попытки улучшения текучести цементных смесей. В 60-е и 70-е гг. прошлого века для этой цели была разработана технология синтеза полимеров. Конденсаты формальдегида и сульфированного меламина и нафталина (SMFC и SNFC) поступили в продажу и до сих пор используются как в готовых к применению, так и в сухих смесях. К концу века были опробованы новые типы материалов для полимеризации. Это привело к созданию суперпластификаторов — полимеров на основе эфира поликарбоксилата. Эти продукты обычно обозначаются PC или PCE. Сначала PC использовались только в виде дисперсии, но в последние годы была осуществлена возможность использования продукта в сухом виде. Действуют описанные полимеры по-разному, что обусловливает некоторое различие в свойствах. Вне зависимости от типа эти полимеры адсорбируются зернами цемента. Существуют различия в степени этой адсорбции, но механизм ее в основном одинаков.
После адсорбции на поверхности зерен полимеры на разных зернах начинают отталкиваться друг от друга — диспергировать частицы цемента. Продукты на основе SMFC и SNFC диспергируют зерна цемента путем электростатического отталкивания, PC используют свою объемную полимерную структуру для стерического или физического расталкивания. В целом стерическое отталкивание сильнее электростатического. Это можно объяснить, приняв во внимание ионную силу водной фазы цементирующей смеси. Из-за высокой концентрации ионов электростатический эффект экранируется, потому и не так силен. На стерический эффект также влияет ионная сила, но он может растянуться во времени по сравнению с электростатическим эффектом. Описанное действие PC зависит и от других факторов. Два наиболее важных — тип используемого цемента и структура полимера. Одна полимерная структура будет по-разному вести себя с двумя разными типами цемента, и две различные полимерные структуры покажут одинаковые результаты для одного и того же типа цемента. Структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду.
Для проверки этого положения были синтезированы четыре различные полимерные структуры — PC1 (короткая основная цепь, короткие боковые цепи, большое количество боковых цепей и низкий ионный заряд), PC2 (длинная основная цепь, короткие боковые цепи, большое количество боковых цепей и высокий ионный заряд) PC3 (короткая основная цепь, средняя длина боковых цепей, малое количество боковых цепей и высокий ионный заряд) и PC4 (короткая основная цепь, длинные боковые цепи, малое количество боковых цепей и низкий ионный заряд). Эти полимеры были смешаны с тремя различными типами портландцемента: CEM A (обычный), CEM B (высокоалюминатный) и CEM C (низкощелочной). При смешивании с водой эти цементы дают разную ионную силу. Некоторые растворимые ионы оказывают более сильное воздействие на характеристики, чем другие. Материалы тестировались с помощью цилиндра растекаемости диаметром 50 мм и высотой 51 мм, наполненным цементной пастой (w/c = 0,23) — измерялся диаметр растекания. Дополнительно измерялась адсорбция соответствующих полимеров. При тестировании были получены следующие результаты:
Влияние на растекаемость. Цементы с низким содержанием растворимых сульфатов менее чувствительны к различиям в структуре полимера. Полимеры с длинной основной цепью и полимеры с высоким содержанием ионов менее чувствительны к сульфатам.
Влияние на степень растекаемости. Данный параметр зависит от структуры полимера и типа цемента. Самые большие различия в поведении полимеров наблюдались для высокоглиноземистого цемента CEM B. Наименьшие различия в поведении полимеров наблюдались для низкощелочного цемента CEM C. Адсорбция. Адсорбируемое количество полимера увеличивается с удлинением основной цепи и увеличением ионного содержания основной цепи. Адсорбированное количество и отсроченную адсорбцию можно объяснить сульфатной конкуренцией. Отсроченная адсорбция коррелирует с уровнем растекаемости.
Новые типы суперпластификаторов все больше и больше используются для всех типов бетона. Первоначальные недостатки PC (вовлечение воздуха, замедление твердения и цена) были преодолены, преимущества — усилены. Например, самоуплотняющаяся бетонная смесь (SCC) завоевывает положение практически на всех рынках, особенно сборного железобетона. SCC можно изготовить только с использованием PC — традиционные продукты не имеют достаточной силы. Что же касается сухих готовых смесей (например, наливных полов), то традиционные суперпластификаторы до сих пор занимают большую часть рынка. Эта ситуация меняется, поскольку теперь сухие суперпластификаторы на основе PC также можно распылять. В будущем ожидается такое же развитие для сухих смесей, как и для бетона. Переход от традиционных суперпластификаторов к PC требует изменения рецептуры хорошо работающей смеси. А стоит ли ее менять? Каковы в данном случае «за» и «против»?
В данном случае преимущества следующие:
. Дозировка PC составляет около одной четвертой или одной трети SMFC или SNFC.
. Благодаря увеличению пористости и усилению поверхностной активности усадка сокращается в целом на 25-30%.
. Благодаря химическому составу оценка влияния на окружающую среду — это всегда решение в пользу PC.
И о недостатках. Поликарбоксилаты все же вовлекают воздух, который может влиять на прочность (что, впрочем, в большинстве случаев нейтрализуется корректировкой соотношения «замедлитель/ускоритель», а также использованием пеногасителя). При повышенных температуре и влажности может наблюдаться комкование поликарбоксилатного порошка при его хранении. Принимая во внимание все эти факторы и единожды исправив рецептуру, добиваемся того, что общие характеристики премикса, содержащего поликарбоксилатный пластификатор, значительно превосходят традиционную смесь как по стоимости, так и по эксплуатационным свойствам.
Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
Специализированные исследования и разработки привели к появлению новых типов поликарбоксилатных суперпластификаторов. Новые продукты превосходят традиционные по сокращению количества воды, сохранению обрабатываемости, усадке, не говоря об остальных параметрах. С помощью новой технологии возможно создавать полимеры для различных типов цемента, но это также означает, что каждая полимерная структура по-разному ведет себя в различных цементах. Новые типы продуктов успешно использовались для изготовления как готовых бетонных смесей, так и сборного железобетона. В рамках этих применений использование поликарбоксилатных суперпластификаторов является необходимым условием обеспечения реологических свойств разжиженной самоуплотняющейся бетонной смеси. Технология развивается дальше, и сейчас существуют поликарбоксилаты в форме порошка. Это означает возможность оптимизации характеристик продукции, а также свойств различных типов растворов. Несомненно, требуется изменение рецептур растворов, но эксплуатационные свойства новых продуктов явно стоят того.
В течение многих лет предпринимались более или менее успешные попытки улучшения текучести цементных смесей. В 60-е и 70-е гг. прошлого века для этой цели была разработана технология синтеза полимеров. Конденсаты формальдегида и сульфированного меламина и нафталина (SMFC и SNFC) поступили в продажу и до сих пор используются как в готовых к применению, так и в сухих смесях. К концу века были опробованы новые типы материалов для полимеризации. Это привело к созданию суперпластификаторов — полимеров на основе эфира поликарбоксилата. Эти продукты обычно обозначаются PC или PCE. Сначала PC использовались только в виде дисперсии, но в последние годы была осуществлена возможность использования продукта в сухом виде. Действуют описанные полимеры по-разному, что обусловливает некоторое различие в свойствах. Вне зависимости от типа эти полимеры адсорбируются зернами цемента. Существуют различия в степени этой адсорбции, но механизм ее в основном одинаков.
После адсорбции на поверхности зерен полимеры на разных зернах начинают отталкиваться друг от друга — диспергировать частицы цемента. Продукты на основе SMFC и SNFC диспергируют зерна цемента путем электростатического отталкивания, PC используют свою объемную полимерную структуру для стерического или физического расталкивания. В целом стерическое отталкивание сильнее электростатического. Это можно объяснить, приняв во внимание ионную силу водной фазы цементирующей смеси. Из-за высокой концентрации ионов электростатический эффект экранируется, потому и не так силен. На стерический эффект также влияет ионная сила, но он может растянуться во времени по сравнению с электростатическим эффектом. Описанное действие PC зависит и от других факторов. Два наиболее важных — тип используемого цемента и структура полимера. Одна полимерная структура будет по-разному вести себя с двумя разными типами цемента, и две различные полимерные структуры покажут одинаковые результаты для одного и того же типа цемента. Структуры полимеров различаются по длине основной цепи, длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду.
Для проверки этого положения были синтезированы четыре различные полимерные структуры — PC1 (короткая основная цепь, короткие боковые цепи, большое количество боковых цепей и низкий ионный заряд), PC2 (длинная основная цепь, короткие боковые цепи, большое количество боковых цепей и высокий ионный заряд) PC3 (короткая основная цепь, средняя длина боковых цепей, малое количество боковых цепей и высокий ионный заряд) и PC4 (короткая основная цепь, длинные боковые цепи, малое количество боковых цепей и низкий ионный заряд). Эти полимеры были смешаны с тремя различными типами портландцемента: CEM A (обычный), CEM B (высокоалюминатный) и CEM C (низкощелочной). При смешивании с водой эти цементы дают разную ионную силу. Некоторые растворимые ионы оказывают более сильное воздействие на характеристики, чем другие. Материалы тестировались с помощью цилиндра растекаемости диаметром 50 мм и высотой 51 мм, наполненным цементной пастой (w/c = 0,23) — измерялся диаметр растекания. Дополнительно измерялась адсорбция соответствующих полимеров. При тестировании были получены следующие результаты:
Влияние на растекаемость. Цементы с низким содержанием растворимых сульфатов менее чувствительны к различиям в структуре полимера. Полимеры с длинной основной цепью и полимеры с высоким содержанием ионов менее чувствительны к сульфатам.
Влияние на степень растекаемости. Данный параметр зависит от структуры полимера и типа цемента. Самые большие различия в поведении полимеров наблюдались для высокоглиноземистого цемента CEM B. Наименьшие различия в поведении полимеров наблюдались для низкощелочного цемента CEM C. Адсорбция. Адсорбируемое количество полимера увеличивается с удлинением основной цепи и увеличением ионного содержания основной цепи. Адсорбированное количество и отсроченную адсорбцию можно объяснить сульфатной конкуренцией. Отсроченная адсорбция коррелирует с уровнем растекаемости.
Новые типы суперпластификаторов все больше и больше используются для всех типов бетона. Первоначальные недостатки PC (вовлечение воздуха, замедление твердения и цена) были преодолены, преимущества — усилены. Например, самоуплотняющаяся бетонная смесь (SCC) завоевывает положение практически на всех рынках, особенно сборного железобетона. SCC можно изготовить только с использованием PC — традиционные продукты не имеют достаточной силы. Что же касается сухих готовых смесей (например, наливных полов), то традиционные суперпластификаторы до сих пор занимают большую часть рынка. Эта ситуация меняется, поскольку теперь сухие суперпластификаторы на основе PC также можно распылять. В будущем ожидается такое же развитие для сухих смесей, как и для бетона. Переход от традиционных суперпластификаторов к PC требует изменения рецептуры хорошо работающей смеси. А стоит ли ее менять? Каковы в данном случае «за» и «против»?
В данном случае преимущества следующие:
. Дозировка PC составляет около одной четвертой или одной трети SMFC или SNFC.
. Благодаря увеличению пористости и усилению поверхностной активности усадка сокращается в целом на 25-30%.
. Благодаря химическому составу оценка влияния на окружающую среду — это всегда решение в пользу PC.
И о недостатках. Поликарбоксилаты все же вовлекают воздух, который может влиять на прочность (что, впрочем, в большинстве случаев нейтрализуется корректировкой соотношения «замедлитель/ускоритель», а также использованием пеногасителя). При повышенных температуре и влажности может наблюдаться комкование поликарбоксилатного порошка при его хранении. Принимая во внимание все эти факторы и единожды исправив рецептуру, добиваемся того, что общие характеристики премикса, содержащего поликарбоксилатный пластификатор, значительно превосходят традиционную смесь как по стоимости, так и по эксплуатационным свойствам.
Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 46 за 2006 год в рубрике материалы и технологии
