Пластификаторы для бетона. Принцип действия и виды

Если коротко, то пластификатором является добавка в бетон, которая повышает текучесть цементного раствора и не требует для этого увеличения количества воды в растворе.

 

Что это дает? Ответ: очень многое.

 

Если вы не разбираетесь в тонкостях затворения раствора и не знаете о водоцементном  соотношении, наборе прочности, удобоукладываемости и прочих показателях бетонных смесей, то с этим можно ознакомиться в этих статьях:

Что такое бетон

Виды бетона

Добавки для бетона

Они помогут вам понять процессы происходящие в растворе и готовом бетоне, также будет проще разобраться в  принципе работы пластифицирующих добавок и на что они влияют в смесях при добавлении.

 

Кустарные пластификаторы для бетона

 

Возможно, вы слышали или лично наблюдали, как человек, замешивающий цементный раствор, добавлял в него мыло. На вопрос, зачем он это делает, получали ответ, что так будет лучше сам бетон и его будет легче укладывать. Такой метод действительно существует и зачастую применяется в “кустарных” условиях. Это самый простой пример пластифицирующей добавки, но довольно спорный, потому-что мыло это продукт другой отрасли и не предназначен для подобных целей. Нет четкой дозировки, инструкции по приготовлению, да и сами компоненты мыла бывают очень разные. Для наглядности можете посетить форумы, где обсуждается подобный вопрос и увидите массу рецептов и споров вокруг этой темы. Редакция не советует применять подобный метод и привела его в качестве простого примера, на основе которого будет проводится разбор работы пластификаторов бетонных смесей.

Для начала разберемся, что такое мыло? Ответ будет выглядеть примерно так: Мыло — твёрдый или, реже, жидкий продукт, содержащий поверхностно-активные вещества (Википедия). Нас интересуют именно эти поверхностно-активные вещества (далее ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения (Википедия). Возможно данное объяснение будет сложным для восприятия, но по факту нам оттуда важно понять пару моментов, а именно факт снижения поверхностного натяжения этими веществами и концентрацию на границе термодинамических фаз. Т.е. мыло, при добавлении его в цементный раствор, снижает поверхностное натяжение воды в структуре раствора и позволяет усилить соединение твердых частиц  наполнителя с вяжущими веществами, это происходит за счет повышения смачиваемости поверхности частиц вяжущих компонентов. Подобные процессы увеличивают текучесть бетонного теста, его пластичность, но при этом не требуют дополнительного добавления воды в раствор. Что, в свою очередь, позволяет не повышать водоцементное соотношение, а то и снизить этот показатель. Водоцементное соотношение напрямую влияет на показатели прочности будущего бетона, но также затрагивает удобоукладываемость при укладке раствора в бетонную конструкцию.

Как видите, подобная добавка на примере обычного мыла, может оказать влияние на многие важные факторы работы с растворами бетона.

Если рассматривать мыло с точки зрения химии, то его можно отнести к щелочным веществам. Туда же относятся и пластификаторы бетона остальных видов. Но как сказано ранее, мыло является продуктом другой отрасли и предназначен для других целей, пусть оно и снижает натяжение и усиливает связи, но при этом имеет множество посторонних элементов, которые способны свести на нет все попытки улучшить цементный замес. Четкой инструкции по добавлению также не существует. Лучше воспользоваться специализированными добавками, имеющими рассчитанные дозы и описанные в инструкциях.

 

На примере с мылом, мы выяснили, что пластификаторы для бетона — это специальные добавки, предназначенные для повышения текучести затворенного цементного раствора, позволяющие снизить водоцементное соотношение раствора. Рост текучести, повышает удобоукладываемость смеси, снижает количество затрачиваемого цемента, улучшает заполняемость раствором формы опалубки. Увеличение связанности компонентов раствора также препятствует расслоению раствора при укладке.

 

Существующие пластифицирующие добавки можно поделить на 3 категории:

  • пластификаторы;

  • суперпластификаторы;

  • гиперпластификаторы.

 

По форме производства делятся на два типа:

  • в жидком виде;

  • в виде сухих смесей.

 

По химическому составу пластификаторы выделяются в три основных группы:

  • лигносульфонаты (ЛСТ) — побочный продукт древесной переработки, относится к анионным ПАВ;

  • силиконовые полимеры КОС (кремнийорганические соединения);

  • поликарбоксилатные и полиакрилатные составы.

 

 

Пусть категорий и видов не так много, но все усложняется огромным количеством видов бетона и их применением в строительстве. Некоторые добавки имеют побочные эффекты, как положительные, так и отрицательные, могут иметь разное время действия. Иногда их смешивают для улучшения некоторых свойств или нейтрализации каких-либо эффектов компонентов.

 

Принцип действия пластификаторов

 

Чтобы лучше разобраться в применяемых пластификаторах, надо понять механизм их работы и как достигается ожидаемый эффект разжижения раствора.

Рассматривая пример с мылом, мы упомянули о ПАВ и их работе на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывающих снижение поверхностного натяжения. Под фазой понимают совокупность множества частей системы с одинаковым составом и свойствами, отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела. Т.е. в обычном цементном растворе присутствуют: цемент, песок, вода. А каждое твердое вещество в этой смеси представляет собой отдельную фазу, независимо от его распределения в системе. Как известно, чем меньше размер частиц компонента, тем выше его суммарная удельная поверхность, а чем выше суммарная удельная поверхность, тем качественнее проходят химические реакции. Если песок довольно крупный, то цемент обычно довольно мелкий, пылеобразный. Смешав песок и цемент, добавляют воду. Однако вода обладает значительным поверхностным натяжением (т.е. между молекулами воды, находящимися в ее поверхностном слое на границе раздела фаз, действуют значительные силы сцепления), которое препятствует ее растеканию по поверхности и смачивание цемента происходит не полностью и разнородно. При добавлении в воду ПАВ, снижается поверхностное натяжение воды и процесс смачивания поверхности твердых тел в смеси проходит гораздо лучше и быстрее. Еще одним важным моментом является нейтрализация разноименных зарядов и распад скомковавшегося цемента на более мелкие фракции, что в свою очередь увеличивает удельную поверхность цемента, участвующего в химической реакции. Эти изменения сильно увеличивают вязкость раствора при том же количестве воды.

 

ПАВ могут воздействовать на скорость гидратации цемента, но тут важную роль играют химические составы раствора и ПАВ, потому этот момент надо рассматривать для каждой добавки и раствора отдельно.

 

Разницу текучести раствора с добавлением ПАВ можно сравнить в таблице:

 

текучесть раствора с добавлением пластификаторов

Влияние пластифицирующих добавок ЛСТ, МЛС (модифицированный лигносульфонат) и ХДСК-1 (лигносульфонат, модифицированный NаОН) на свойства бетонной смеси.

 

Суперпластификаторы

 

Суперпластификаторы (далее СП) куда сильнее разжижают растворы, нежели ЛСТ-добавки, также важным моментом является, что действуют они на протяжении всего срока испытания и не снижают прочностных характеристик бетона.

 

Все используемые СП можно разделить по химическому составу:

  • на основе сульфированной меламиноформальдегидной смолы;
  • на основе продуктов поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида;
  • сюда входят продукты поликонденсации оксикарбоновых кислот;
  • модифицированные лигносульфонаты.

 

Приведем ниже список широко применяемых СП в таблице:

используемые добавки

 

От рассмотренных ранее ЛСТ-пластификаторов с ПАВ, данные СП отличаются постоянством своего химического состава, это продукты органического синтеза — полимеры.

 

СП на основе меламина (МФ) и нафталина (НФ) довольно близки, с точки зрения механизма действия и эффективности. Ключевое отличие заключается в продолжительности действия эффекта пластификации и стоимости сырья.

Принцип работы СП заключается в работе ПАВ ( они здесь также присутствуют, как и в ЛСТ-пластификаторах), которые образуют на поверхности частиц цемента тонкодисперсной фракции заполнителей мономолекулярных адсорбционных оболочек (если проще, то на частицах цемента и наполнителя образуется тонкая пленка, отталкивающая эти частицы друг от друга), снижающие внутреннее трение в бетонной смеси. Также ПАВ разделяют слипшиеся частицы цемента и увеличивают его  удельную поверхность. Это положительно сказывается на интенсивности процесса гидратации и образования структуры цементного камня.

 

СП влияют практически на все качественные показатели бетонов. Они повышают водонепроницаемость и морозостойкость, снижается усадка.

 

 

Но они также имеют и недостатки. В первую очередь, они довольно дорогие и добавление в бетонные растворы добавки СП, в объемах 0.5-1% от массы цемента, серьезно сказывается на конечной стоимости продукции. Помимо этого, у большинства СП, срок пластификации раствора порядка 30-40 минут. Подобный временной интервал очень сильно ограничивает их использование.

 

Принцип действия суперпластификаторов

 

Механизм действия СП относится к теоретической части, в силу отсутствия полного понимания процессов, происходящих внутри раствора. Тем не менее, некоторые моменты все же выяснены:

  • молекулы СП снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз “жидкость -твердое тело”, в отличии от ЛСТ-пластификаторов с ПАВ, которые снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз “газ-жидкость”. Подобная разница и объясняет пониженное воздухововлечение в бетонную смесь с введенным СП;
  • молекулы СП обладают диспергирующим эффектом на частицы вяжущего вещества (т.е. отталкивающим эффектом частиц цемента и наполнителей). В итоге доля мелких фракций увеличивается в два раза, что повышает вяжущие свойства цемента;
  • время действия СП значительно меньше, нежели у ЛСТ-добавок с ПАВ, это связано со строением молекул СП и их молекулярной массой;
  • многие СП оказывают меньшее влияние на скорость гидратации цемента, нежели ЛСТ-добавки с ПАВ.

 

 

 

В итоге, в процессе гидратации, в системе накапливается гидроксид кальция, который взаимодействует с молекулами СП и уводит их с поверхности зерен цемента.

 

Гиперпластификаторы

 

В механизме воздействия СП на компоненты цементного раствора преобладают эффекты электростатического отталкивания частиц цемента. Но молекулярные формулы СП имеют линейную структуру. Гиперпластификаторы (далее ГП) оказывают меньший электростатический эффект отталкивания, но при этом имеют двух- и трехмерную формулу, позволяющую создать стерический или пространственный эффект, что компенсирует отставание по электростатическим показателям. Молекулы ГП, с пространственными связями, создают объемную защитную оболочку вокруг частиц твердой фазы, предотвращают слипание частиц и способствуют их взаимному отталкиванию.

Подобная объемная форма молекул создает вдвое больше сил отталкивания, чем у СП и втрое чем у ЛСТ.

 

 

Благодаря такой структуре, ГП эффективнее других типов пластификаторов, имеют более низкие дозировки, не так сильно зависят от состава цемента, как СП.

Пластифицирующие добавки также служат основой для других добавок и применяются в различных комплексных добавках. Например:

Водоредуцирующие добавки для бетона

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Top