Эффективность химических добавок чаще оценивают в двух аспектах – техническом [1] и технико-экономическом [2]. С точки зрения достижения технического эффекта суперпластификаторы (СП) – самая эффективная группа водоредуцирующих и пластифицирующих добавок [3]. Однако с учетом их высокой стоимости решение технологических задач с применением СП в ряде случаев неоправданно с экономической точки зрения. Экономическая эффективность при использовании добавки для решения конкретной технологической задачи определяется сложившимся соотношением стоимости СП, цемента и заполнителей в каждом регионе для конкретного периода времени.

СП применяются в основном для получения бетонов с более высокими, чем у рядовых материалов, технико-строительными свойствами, например бетонных смесей с маркой по удобоукладываемости П3 и выше, бетонов класса В30 и выше, а также бетонов с повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью [4, 5]. Использование СП новых поколений [6], стоимость которых в несколько раз выше стоимости СП на нафталинформальдегидной основе, оправданно только для производства бетонов с уникальными для традиционной технологии свойствами: самоуплотняющихся, высокопрочных и особовысокопрочных, порошковых бетонов [7, 8, 9], то есть строительных материалов, производство которых невозможно без применения новых высокоэффективных СП, за счет использования других технологических приемов. В таких случаях планируют получить экономический эффект не за счет сокращения издержек на стадии производства бетонной смеси или строительной конструкции, а вследствие снижения расходов на стадиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Методология оценки такого экономического эффекта сложна и выходит за рамки настоящей работы.

В настоящее время не существует единой методологии оценки эффективности СП, удовлетворяющей потребностям строительных лабораторий, занимающихся выбором вида СП и назначения его дозировки. Эта методология должна обеспечивать: оптимальный выбор СП из номенклатурного ряда, представленного на современном российском рынке химических добавок, с учетом технологических задач, стоящих перед производителем бетона; определение совместимости СП с цементом и добавками различного функционального назначения цементов; назначение дозировки СП и проектирование состава бетона.

В исследовательской и производственной практике отсутствуют простые и достоверные методики определения реологических свойств цементного теста, суспензии и раствора с последующей экстраполяцией результатов на технологические свойства бетонных и растворных смесей. Существующие стандартные методики трудоемки и материалоемки для практического использования в научно-исследовательских и строительных лабораториях. Они малопригодны для оперативной оценки различных пластификаторов, имеющихся на современном российском рынке химических добавок, а также для выбора в условиях строительной лаборатории оптимальной добавки и ее дозировки с учетом состава цемента и бетона, а также особенностей технологии производства.

Введение пластифицирующих добавок в бетоны снижает предельное напряжение сдвига и повышает текучесть цементного теста, что позволяет использовать их по трем направлениям:

– для улучшения удобоукладываемости при неизменных значениях прочности и долговечности;

– для сокращения расхода цемента при неизменных значениях прочности, удобоукладываемости и снижения усадки и тепловыделения;

– для повышения прочности и долговечности при неизменной удобоукладываемости.

Исходя из целей, которые должны быть достигнуты при использовании добавок, необходимо оценивать технические и экономические аспекты изменения всего комплекса свойств модифицированного бетона [1]. Однако, учитывая, что основное действие пластификатора на свойства бетона – это разжижение цементного теста, изменение перечисленных выше свойств бетона при введении пластификатора можно спрогнозировать по изменению реологических характеристик этой составляющей бетонной смеси.

В работе [10], посвященной методам оценки эффективности ПАВ, указывается на «значительный отрыв между практическими характеристиками ПАВ и физико-химическими свойствами систем», в связи с чем оценка этих веществ производится по различным группам критериев:

– непосредственная оценка действия ПАВ по изменению свойств системы, например, для пенообразователей – увеличение кратности и времени жизни пены, для пластификаторов – улучшение удобоукладываемости смеси;

– по качественным, интуитивно полученным критериям, например по гидрофильно-липофильному балансу;

– с использованием критериев, полученных из фундаментальных уравнений, например, оценка поверхностной активности dσ/dC из уравнения Гиббса, где σ – поверхностное натяжение, C – концентрация ПАВ в растворе.

Из перечисленных групп критериев, по мнению авторов [10], только последняя группа имеет четкий физический смысл и предсказательную силу, однако в практике использования ПАВ в различных отраслях их оценка чаще всего производится по первой группе критериев.

В строительном материаловедении пластифицирующие и водоредуцирующие добавки оцениваются по эффекту воздействия на свойства бетонных смесей и бетонов [11].

Пластифицирующий эффект определяется по увеличению осадки конуса бетонной смеси с добавкой пластификатора по сравнению с осадкой конуса контрольного бездобавочного состава, равной 2…4 см. Оценка эффективности СП непосредственно на бетонной смеси имеет ряд недостатков. Во-первых, это приводит к значительной материало- и трудоемкости определения пластифицирующего и водоредуцирующего эффектов, особенно в лабораторных условиях при проведении исследовательских работ или контроля качества поступающих на производство СП. Во-вторых, результаты испытаний по стандартной методике [14] на бетонной смеси, даже с учетом того, что характеристики исходных материалов и расход компонентов регламентированы стандартом [11], могут различаться, так как допустимые интервалы расхода песка (650…850 кг/м³) и щебня (950…1150 кг/м³) довольно широки. Исследование бетонных смесей, приготовленных на цементах и заполнителях с различающимися свойствами или соотношением компонентов, может приводить к субъективным выводам об эффективности добавок. Так, в научно-технической литературе встречаются сообщения [12] о новых разновидностях пластификаторов с эффективностью, соответствующей СП. Однако эти авторы используют свои методики определения пластифицирующего эффекта добавок.

Проведение испытаний на разных видах цементах также может дать значительные различия в результатах. Авторами работы [13] убедительно показано, что цементы имеют различную реологическую и прочностную чувствительность к дозировке СП.

Для оперативной оценки пластифицирующей и водоредуцирующей эффективности поступившей на предприятие добавки и предварительного назначения ее дозировки стандартная методика малопригодна вследствие ее высокой трудоемкости.

Для специалистов производства важно определить совместимость СП и цемента, так как этот фактор иногда может оказаться определяющим для эффективного использования СП.

Как уже отмечалось, пластификаторы, являясь по механизму действия диспергаторами цементного теста, определяют изменение реологических свойств бетона за счет снижения предельного напряжения сдвига и вязкости цементно-водной системы. Исходя из этого, для оценки пластифицирующей и водоредуцирующей эффективности добавок эти характеристики целесообразно определять на цементном тесте с последующей проверкой результатов на производственных составах.

В зарубежной практике для оценки пластифицирующего и водоредуцирующего эффектов СП в цементе [14] используется мини-конус – усеченный конус с диаметром основания 38 мм, высотой 57 мм и диаметром верхней части 19 мм. Пластифицирующий эффект в соответствии с этой методикой определяется по увеличению площади расплыва цементной суспензии с добавкой СП. В отечественной практике эта методика не получила широкого распространения.

В некоторых работах для оценки пластифицирующего действия добавки на цементное тесто используется вискозиметр Суттарда или его уменьшенные аналоги [15]. Определение действия СП на текучей цементной суспензии имеет существенный недостаток – водоцементное отношение в суспензии намного ниже, чем характерный уровень этого параметра у бетонной смеси. Это несоответствие приводит к ошибочным выводам об эффективности добавок.

В связи с этим, для получения более достоверных данных о пластифицирующем и водоредуцирующем эффектах пластификаторов целесообразно изучать действие добавок на растворную составляющую бетона. Такой подход позволит исследовать пластификаторы на составах близких к реальным составам бетонов. Отсутствие в исследуемых системах крупного заполнителя не позволяет оценить влияние этого компонента на расслоение и некоторые другие свойства пластифицированных бетонных смесей, однако влияние добавки на пластифицирующий эффект, его сохраняемость во времени, а также возможное замедление твердения такой подход позволяет достаточно точно оценить.

Прямым действием СП на бетонные смеси является их пластификация. Однако на практике чаще используется вторичный эффект – водоредуцирующий, который получают за счет снижения расхода воды в бетонной смеси до значений, обеспечивающих равную с бездобавочным составом удобоукладываемость. В связи с этим при оценке действия СП на растворную составляющую необходимо определять не пластифицирующий эффект.

Экспериментально установлено, что зависимость расплыва песчано-цементного расплыва из формы-конуса (конуса Хегермана) на встряхивающем стоике и под действием собственного веса от водоцементного отношения носит линейный характер (рис. 1). Это позволяет снизить вероятность ошибок и достоверно рассчитать водоредуцирующий эффект для смесей с различной консистенцией.

Рис. 1. Зависимость расплыва конуса смеси на встряхивающем столике от водоцементного отношения при различной дозировке СП

Полученные данные позволяют достоверно прогнозировать эффективность пластифицирующей добавки в бетонной смеси. Это позволяет решить задачу выбора суперпластификатора и назначение его дозировки при низких затратах материала и труда, что ценно как для исследовательской, так и для производственно-строительной лаборатории.

1. Силина, Е.С. Оценка эффективности добавок в бетоне // Бетон и железобетон. – 1989. – № 4. – С. 5–6.
2. Рекомендации по технико-экономической оценке применения добавок в бетоне. – М.: НИИЖБ, 1985. – 79 с.
3. Баженов, Ю.М. Технология бетона. – М.: АСВ, 2002. – 500 с.
4. Морозостойкие бетоны из литых смесей с полифункцио­нальными модификаторами / Н.К. Розенталь [и др.] // Бетон и железобетон. – 1989. – № 4. – С. 21–22.
5. Цыганков, И.И. Рациональные области применения супер­пласти­­фикаторов // Бетон и железобетон. – 1978. – № 10. – С. 16–18.
6. Фаликман, В.Р. Новое поколение суперпластификаторов / В.Р. Фаликман, А.Я. Вайнер, Н.Ф. Башлыков // Бетон и же­ле­зобетон. – 2000. – № 5. – С. 6–7.
7. Коваль, С. Оценка эффективности химических добавок при разра­бот­ке высокопрочных бетонов / С. Коваль, М. Циак // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2009. – № 5. – С. 34–37.
8. Оучи, М. Самоуплотняющиеся бетоны: разработка, приме­не­ние и ключевые технологии / М. Оучи // Бетон на рубеже треть­его тысячелетия: тр. 1-й Всерос. конф. по бетону и железобетону. – М., 2001. – С. 209–215.
9. Richard, P. Reactive Powder Concretes with high ductility and
   200–800 MPa compressive strength / P. Richard, M. Cheyrezy // ACI SP144–24. – 1994. – Р. 507–518.
10. Абрамзон, А.А. Система применения и оценки эффективности по­верхностно-активных веществ / А.А. Абрамзон, Г.М. Гаевой // Жур­нал прикладной химии. – 1976. – Т.49, № 8. – С. 1746–1751.
11. ГОСТ 30459–2008. Добавки для бетонов и строительных раство­ров. Определение и оценка эффективности.
12. Опыт применения бетонов с модифицированным лессом СДБ / А. Шафиров [и др.] // Бетон и железобетон. – 1988. – № 3. – С. 14.
13. Борисов, А.А. Классификация реакционной активности цемен­тов в при­сутствии суперпластификаторов / А.А. Борисов, В.И. Ка­­лаш­ников, П.В. Ащеулов // Строительные материалы. – 2002. – № 1.– С. 10–12.
14. Bhattacharja, S. Rheology of Cement Paste in Concrete with Different Mix Designs and Interlaboratory Evaluation of the Mini-Slump Cone Test R&D Serial No. 2412 / S. Bhattacharja, F.J. Tang // Portland Cement Association.– Skokie, Illinois, USA, – 2001. – 28 p.
15. Калашников В.И., Коровкин М.О., Тетенькин А.Г. Методология оценки эффективности пластификаторов в воднодисперсных системах // Международная научно-техническая конференция «Структурообразование и прочность композиционных строительных материалов». Одесса: ОГАСА, 1994. С. 21-22.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»