Справочник строителя | Добавки регулирующие свойства

Механизм действия пластификаторов

    Суперпластификаторы и сильнопластифицирующие добавки, открытые в 30-е годы прошлого столетия, заняли особое место в модификации бетонных и растворных смесей. Являясь разжижителями и высокоэффективными пластификаторами бетонных и растворных смесей, они позволяют при прочих равных условиях в несколько раз повысить подвижность таковых против исходной, не вызывая при этом снижения прочности бетона или раствора при сжатии.

Пластифицирующий эффект определяется также изменением воды сольватных оболочек частиц новообразований цемента. При адсорбции ПАВ на поверхности твердой фазы количество воды сольватных оболочек уменьшается, а количество свободной воды возрастает. Это ведет к улучшению реологических характеристик смеси, но несколько замедляет процессы структурообразования и твердения цемента.

По своей природе суперпластификаторы разделяют на четыре группы: I — сульфированные меламиноформальдегидные смолы, II - продукты конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, III — модифицированные (очищенные и практически не содержащие сахаров) лигносульфонаты, IV — добавки на основе поликарбоксилатов и некоторые другие (табл. 1). Наряду с отечественными добавками в таблицу включены и суперпластификаторы зарубежного производства, широко представленные на строительном рынке и успешно применяемые как для бетонов, так и для сухих строительных смесей.

Таблица 1. Классификация суперпластификаторов

Суперпластификаторы представляют собой анионактивные органические вещества коллоидного размера с большим количеством полярных групп в цепи. Эффективность суперпластификаторов зависит от структуры, наличия и вида функционально активных групп, их расположения в молекулах, длины и формы цепей, молекулярной массы, Добавки-разжижители, находясь в адсорбированном на зернах цемента и новообразованиях состоянии, создают «стерический» эффект отталкивания. Этот эффект, обусловленный формами цепей и характером зарядов на поверхности зерен цемента и гидратов, является причиной длительного сохранения жизнеспособности бетонных и растворных смесей. Такое механическое действие суперпластификаторов в 3...4 раза повышает подвижность бетонной смеси.

Действие суперпластификаторов ограничивается 2...3 ч с момента их введения и после первоначального замедления процессов гидратации и образования коагуляционной структуры наступает ускорение твердения бетона. Это объясняется тем, что адсорбционный слой добавки на поверхности зерен цемента проницаем для воды, а дефлокулирующее действие ПАВ увеличивает поверхность контакта цемента и воды, что приводит к увеличению числа гидратных новообразований.

Суперпластификаторы вводят в бетонные смеси в виде водных растворов рабочей или повышенной концентрации из расчета содержания добавки в пределах 0,7..1,5 % массы цемента. При этом доза суперпластификатора должна быть выше для высокоалюминатных цементов. Интенсивность уменьшения подвижности бетонной смеси во времени также зависит от алюминатности цемента.

Суперпластификаторы, в основном, являются синтетическими полимерными веществами, поэтому очень дороги, и их использование в бетонных и растворных смесях должно быть технически и экономически обосновано. Но несмотря на повышенную стоимость, бетоны, модифицированные такими ПАВ, эффективны, так как экономия цемента в них может достигать 50 кг/м³ и более. Кроме того, применение суперпластификаторов дает возможность использовать литые бетонные смеси, что приводит к снижению трудозатрат и улучшению условий труда на производстве.

Среднепластифицирующие добавки — это вещества гидрофильного типа, к которым относятся такие широко применяемые органические продукты, как лигносульфонаты, некоторые эфиры и другие вещества, каждая молекула которых содержит значительное число функциональных групп разной полярности, перемежающихся с неполярными радикалами.

При адсорбировании на частицы цемента не все полярные группы таких ПАВ обращены в сторону твердой фазы, некоторые наименее «фильные» из них, как и неполярные органические радикалы, обращены наружу. Такое адсорбционное покрытие влияет, прежде всего, на исходную фазу — зерна цемента. Хотя сама пленка может быть моно- или бимолекулярной (в зависимости от дозировки пластификатора), но за счет дальнодействующих вандерваальсовых сил она удерживает вблизи себя достаточно толстый слой воды. По этой причине между твердыми частицами создается гидродинамическая смазка, обеспечивающая снижение коэффициента внутреннего трения. Вместе с этим, благодаря физической адсорбции в устьях микрощелей и микротрещин клинкерной части цемента, происходит сглаживание шероховатостей микрорельефа зерен, что также способствует пластификации бетонной смеси.

Весьма важной особенностью гидрофильных ПАВ является их пептизирующее (диспергирующее) действие. Пептизация заключается в разделении агрегатов на первичные частицы под влиянием раздвигающего действия активной поверхности цементных частиц в процессе гидратации и гидролиза, что в свою очередь ускоряет взаимодействие цемента с водой и уменьшает количество не прореагировавшего клинкерного материала.

Модифицирующее действие ПАВ приводит к замедлению роста зародышей кристалликов новообразований в результате образования на их поверхности адсорбционных слоев. Замедление роста отдельных зародышей вызывает увеличение общего их числа, т. е. дисперсность кристаллических продуктов гидролиза и гидратации цемента значительно увеличивается, что может оказывать положительное влияние на плотность формирующейся структуры, деформативную способность цементного камня и предельную растяжимость бетона.

При адсорбции ПАВ на центрах кристаллизации алюминийсодержащих фаз происходит их стабилизация, заключающаяся в уменьшении скорости роста и накоплении большого количества мельчайших частиц новообразований (часто рентгеноаморфных или плохо закристаллизованных), т. е. дисперсность возникающих структур твердения при введении повышенных концентраций ПАВ возрастает. Это относится как к размерам твердой фазы, так и к среднему эффективному диаметру пор и капилляров.

Таким образом, добавки ПАВ, вводимые в небольших количествах — 0,2...0,25 %, замедляют процессы гидратации и твердения цемента, прежде всего вследствие экранирования его зерен адсорбционными слоями.

Необходимо принимать во внимание, что при больших дозировках добавок происходит повышение вязкости среды, а также адсорбция ПАВ на гидратных новообразованиях, приводящие к значительному замедлению процессов твердения бетона. При передозировке гидрофилизирующих ПАВ возможно вовлечение в бетонную смесь пузырьков воздуха, но они изолированы и легко удаляются из смеси при перемешивании.

Как показали исследования, действие пластифицирующих добавок различно для отдельных минералов цементного клинкера. При введении добавок следует учитывать их совместимость с цементами (из-за содержания в них С₃А и гипса), минеральными дисперсными компонентами и между добавками при их комплексном введении. Пластификаторы гидрофилизирующего действия (типа ЛCТ) адсорбируются по схеме: С₃А > С₄АF > С₃S > С₂S, поэтому наиболее эффективно их применение в «жирных» бетонных смесях на высокоалюминатном цементе.

Механизм действия слабопластифицирующих добавок (пластифицирующе-воздухововлекающих), являющихся веществами гидрофобного типа, заключается в вовлечении в бетонную смесь мельчайших пузырьков воздуха и образовании на поверхности зерен цемента тонких (мономолекулярных) гидрофобных пленок. Такое действие добавок резко уменьшает смачивание цементных зерен водой, что приводит к замедлению реакций гидратации и гидролиза клинкерных минералов и, следовательно, к сохранению на некоторое время начальной вязкости теста вяжущего.

Количество вовлеченного воздуха может достигать ~ 5 % от объема смеси. Вследствие этого увеличивается объем цементного теста, играющего роль смазки твердых компонентов смеси, и достигается эффект пластификации. Это указывает на то, что использование пластификаторов гидрофобного типа наиболее эффективно в «тощих» смесях.

В процессе перемешивания бетонной смеси, адсорбированные на зернах цемента пленки молекул ПАВ механически сдираются, благодаря чему обеспечивается взаимодействие воды с цементом и не нарушается протекание процессов гидратации. Слабопластифицирующие добавки, как и гидрофилизирующие, удлиняют срок начальной стадии структурообразования, замедляют рост пластической прочности бетона во времени.

Система равномерно распределенных пор с гидрофобизированной поверхностью в затвердевшем бетоне снижает капиллярный подсос влаги и, тем самым, уменьшает проницаемость бетона. В процессе замораживания образовавшиеся поры подобно контракционным выполняют роль демпферов: снижают напряжения и деформации, обеспечивая повышенную морозостойкость материала. Поэтому основным экономическим эффектом применения слабопластифицирующих добавок, помимо снижения водопотребности бетонных смесей и сокращения расхода цемента, является повышение долговечности железобетонных конструкций.

Следует учитывать, что добавки гидрофобизирующего действия (типа ГКЖ-10, ГКЖ-11), в отличии от гидрофильных, хорошо адсорбируются на силикатных минералах цемента по схеме: С₃S > С₂S > С₄АF и практически не адсорбируются на С₃S. Поэтому слабо пластифицирующие добавки более эффективны при применении низкоалюминатных цементов с повышенным содержанием силикатов кальция.

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях