Što smo naučili od polikarboksilnog superplastifikatora u proteklih 20 godina?

Prije otprilike 20 godina, novi tip superplastifikatora koji se temelji na polikarboksilatnim polimerima (PCE) uveden je na sjevernoameričko tržište betonskih konstrukcija. Baš kao što je uvođenje dodataka na bazi naftalena 1970-ih značajno poboljšalo različita tehnička svojstva svježeg i očvrslog betona, polikarboksilati su dodatno poboljšali učinkovitost betonskih mješavina.

Na primjer, PCE su omogućili razvoj samokonsolidirajućeg betona i održali zadržavanje slijeganja preko dva sata bez značajnog produljenja vremena vezivanja. Imao sam privilegiju biti dio tima za istraživanje i razvoj i marketing velike tvrtke za kemijske dodatke koja je lansirala prvu seriju proizvoda na bazi polikarboksilata 1990-ih. Kao i sve nove tehnologije uvedene u građevinski sektor, došlo je do strme krivulje učenja, ističući raznolik niz materijala i primjena u betonskoj konstrukciji. Ovaj članak sažima neke ključne atribute izvedbe izvedene iz komercijalnih primjena i laboratorijskih istraživanja. O prednostima polikarboksilatnih superplastifikatora već je raspravljano i objavljeno u časopisu The Concrete Producer.

Obitelj polikarboksilata

Pojam "polikarboksilat" obuhvaća široku obitelj polimera koje kemičari mogu dizajnirati kako bi betonskim smjesama prenijeli specifične performanse. Nakon uvođenja PCE superplastifikatora opće namjene, noviji proizvodi razvijeni su posebno da ponude visoku ranu čvrstoću i različite razine zadržavanja slijeganja, kao i različite mogućnosti za upravljanje sadržajem zraka u betonu. Jedna klasa polikarboksilata minimalno utječe na početno pad, ali ima funkciju vremenskog otpuštanja koja omogućuje predvidljivo povećanje pada kako vrijeme miješanja produljuje (vidi sliku 1). Posljedično, ova vrsta proizvoda može se dodati u različitim dozama unaprijed zamiješanom betonu kako bi se postiglo željeno zadržavanje slijeganja temeljeno na radnim uvjetima (vrijeme transporta, temperatura, odgoda prije pražnjenja itd.). Često se superplastifikator formulira korištenjem mješavine dva ili više PCE-a kako bi se postigla kombinacija rane čvrstoće i produljenog vijeka klizanja. Istraživači će nastaviti aktivno prilagođavati strukturu PCE polimera kako bi se prilagodila rastućim zahtjevima za materijalima i konstrukcijom.

• Zarobljavanje zraka

Gotovo svi dodaci na bazi polikarboksilata formulirani su s sredstvom protiv pjenjenja za upravljanje neželjenim zadržavanjem zraka koje je obično povezano s PCE polimerima. I za betone s uvlačenjem i bez uvlačenja zraka, sadržaj zraka općenito se može učinkovito kontrolirati odabirom PCE superplastifikatora koji je najkompatibilniji s materijalima koji se koriste. Varijabilnost sadržaja ugljika u letećem pepelu može zakomplicirati dosljedno upravljanje sadržajem zraka, jer hidrofobna priroda sredstava protiv pjenjenja može dovesti do njihove adsorpcije ugljikom u letećem pepelu. Sveukupno, proizvodi na bazi PCE-a mogu poboljšati učinkovitost aditiva za uvlačenje zraka (AEA) u usporedbi sa superplastifikatorima na bazi polinaftalen sulfonata (PNS), omogućujući nižu dozu AEA za postizanje ekvivalentnog sadržaja zraka.

• Utjecaj gline

Za razliku od PNS superplastifikatora, PCE polimer se lako i nepovratno adsorbira određenim sitnim česticama gline koje mogu biti prisutne u različitim izvorima agregata. Slika 2 ilustrira kako pijesak koji sadrži glinu s vrijednošću metilenskog modrila od 1,30 može utjecati na potrebne doze PNS-a u odnosu na superplastifikatore na bazi PCE-a za postizanje kompatibilnog slijeganja. Tipično, s pijeskom bez gline ili s niskim udjelom gline, PCE-i se doziraju u otprilike jednoj trećini količine superplastifikatora na bazi PNS-a za slično slijeganje. Međutim, kada je glina prisutna u određenim pijescima, može biti potrebna doza PCE do 50% veća od PNS. Stoga, ako dođe do neočekivanog povećanja doze PCE superplastifikatora, prioritet bi trebao biti provjera sitnih čestica gline u opskrbi agregatom.

• Fleksibilno doziranje

Za razliku od superplastifikatora na bazi PNS-a, koje uvijek treba dodavati odgođeno (tj. nakon što se cement i voda počnu miješati), PCE-ovi su relativno neosjetljivi na vrijeme dodavanja, što omogućuje veću fleksibilnost tijekom procesa miješanja betona.

• Nekompatibilnost s PNS superplastifikatorima

Korištenje PCE-a i proizvoda na bazi PNS-a u istoj betonskoj smjesi može dovesti do brzog gubitka obradivosti. Stoga se ove dvije tehnologije, PNS i PCE, ne smiju kombinirati u istoj betonskoj mješavini.

• Sinergija snage s ubrzivačima stvrdnjavanja na bazi kalcija

Kada se PCE superplastifikatori koriste uz ubrzivače stvrdnjavanja i inhibitore korozije koji sadrže kalcijeve soli, uočena su neočekivana povećanja čvrstoće u usporedbi sa sličnim betonskim mješavinama koje koriste proizvode na bazi PNS-a. Ova sinergija u povećanju čvrstoće prvi je put primijećena u mješavini koja sadrži inhibitor korozije na bazi kalcijevog nitrita. Podatke sažete u tablici 1 izvijestio je proizvođač betona koji je prethodno koristio kombinaciju reduktora vode ASTM C494 tipa A na bazi lignosulfonata i superplastifikatora na bazi PNS/lignina tipa G za proizvodnju prednapetih pilota.

Izvanredna razlika u čvrstoći koja se postiže jednostavnim prebacivanjem superplastifikatora s PNS na polikarboksilat potvrđena je znanstvenim studijama i može pomoći u smanjenju udjela cementa, a da pritom zadovolji zahtjeve čvrstoće. Zanimljivo, čini se da razlika u čvrstoći nije povezana s povećanom toplinom hidratacije, već s gušćom mikrostrukturom proizvedenom kombinacijom dodataka za ubrzavanje ili inhibiranje korozije na bazi kalcija i dodataka na bazi polikarboksilata.

PCE superplastifikator zamijenio je i PNS/lignin i proizvode za smanjenje vode tipa A s otprilike jednom trećinom dozirane stope. Dodatno, važno je napomenuti da je doza AEA potrebna za postizanje istog sadržaja zraka smanjena za 50% u betonu s dodatkom PCE.

Ukratko, dok je industrija betona stekla značajne uvide u iskorištavanje svestranosti i razumijevanje ograničenja PCE superplastifikatora, kemičari će, u suradnji s tehnolozima za beton, nastaviti modificirati polimerne strukture kako bi razvili nove mogućnosti za proizvodnju, postavljanje i proširenje usluge vijek trajanja betonskih smjesa.