В статье рассмотрены пластифицирующий, водоредуцирующий и прочностной эффекты суперпластификаторов в бетоне, способы определения их оптимальных расходов. С привлечением литературных данных представлены технические и технико-экономические критерии эффективности суперпластификаторов.

УДК 691.32

А.Г. ЗОТКИН, канд. техн. наук, Иркутский государственный технический университет

Ключевые слова: бетон, суперпластификатор, реологические эффекты, прочность, эффективность
Keywords: concrete, superplasticizer, rheological effect, strength, efficient

Эффективность суперпластификаторов (СП) в бетоне зависит от многих факторов, но наиболее существенными представляются вид и качество СП, его совместимость с цементом, а также применяемые составы бетона.

Предлагаются и дискутируются различные методы определения и оценки эффективности СП. Они касаются как объекта исследования (цементное тесто → камень; раствор; бетон), так и эффектов, принимаемых в качестве критериев оценки.

Эффективность добавок определяется средним уровнем эффекта на разных цементах (или портландцементе, нормированном ГОСТ), тогда как степень совместимости добавки с конкретным цементом может быть оценена отклонением величины эффекта от среднего уровня в ту или иную сторону.

Рост эффективности добавок не сопровождается увеличением их совместимости. Так, поликарбоксилаты более эффективны, чем нафталинформальдегиды, но часто обладают меньшей совместимостью с цементами.

Основное внимание при исследованиях бетонов с СП уделяется реологическим эффектам (пластификация и/или водоредуцирование, а также сохраняемость). В меньшей степени рассматривается прочностной эффект СП, так как он определяется водоредуцирующим действием.

В то же время при определенном водоредуцировании (т.е. постоянном В/Ц) возможны колебания прочности бетона с СП в зависимости от вида примененного цемента. Они наиболее значительны в раннем возрасте, но наблюдаются и для бетонов стандартного возраста. Это позволяет говорить и о «прочностной» совместимости цементов с СП.

Методы оценки эффективности СП во многих случаях требуют определения их оптимальных расходов.

В работе рассматриваются реологические эффекты СП (пластификация и водоредуцирование), но основное внимание уделяется прочностным эффектам.

Реологические эффекты

В зависимости от способа введения СП оказывают на бетонную смесь либо пластифицирующее, либо водоредуцирующее действие.

Пластифицирующий эффект

Эффект пластификации при введении СП определяется наиболее просто. Контрольный состав должен иметь подвижность 2-4 см. Принимаются и вводятся в него три расхода добавки в интервале, рекомендованном производителем1 (для уменьшения расслоения смеси рекомендуется увеличить долю песка). После испытания образцов строятся зависимости подвижности смеси и прочности бетона от дозировки добавки (рис. 1).

Положение и характер кривой пластификации может существенно различаться в зависимости от характеристик цемента. Основное влияние оказывают содержание С3А, наличие и вид минеральной добавки [1, 2]. Величину эффекта желательно определять при оптимальных дозировках СП.

Нахождение оптимальной дозировки СП. В работе [2] для этого использовано понятие «эффективной дозировки», необходимой для получения ОК≥20 см.

Ниже рассмотрен другой подход, при котором оптимальная дозировка определяется по характеру кривой пластификации. На ней можно выделить два участка: интенсивной пластификации и ее затухания. Если граница между участками (перегиб кривой) хорошо выражена и дальнейшее повышение расхода СП малоэффективно, оптимальный расход добавки может быть принят по ее положению (если при этом не снижается прочность).

Сложнее ситуация, когда эффект пластификации уменьшается более плавно (как это показано на рис. 1а, заимствованном из [1]). В этом случае можно сравнить:

— дальнейшую пластификацию смеси добавкой (растет стоимость ее повышающейся дозировки);

— увеличение расхода воды (стоимость решения может быть измерена количеством цемента, необходимого для сохранения В/Ц постоянным).

В отличие от СП с ростом подвижности «эффективность» воды увеличивается: для каждого следующего 1 см осадки конуса (ОК) требуется меньший ее расход. Так, если в интервале 2-4 см ее нужно ~5 л/см ОК, то в интервале 16-20 см ~1,6, а при 21-25 см ~1,2 л/см ОК (т.е. литые смеси очень чувствительны к изменению водосодержания).

Сопоставление стоимости повышения подвижности смеси путем увеличения расходов СП и воды (следовательно, цемента) показывает, что первая из них постоянно увеличивается, а вторая снижается. Поэтому наступает момент, когда они сравниваются. Этот расход СП и будет оптимальным, т.к. при дальнейшем его увеличении стоимость дополнительно вводимой добавки будет уже выше, чем стоимость дальнейшей пластификации водой. Пример расчета приведен в работе [3].

Поэтому, если при оптимальной дозировке СП требуемая подвижность не достигнута, ее корректировку следует проводить уже изменением расхода воды (цементного теста). Это будет равносильно изменению состава контрольной смеси.

Приведенные выше данные позволяют утверждать, что пластифицирующий эффект СП будет, кроме прочих факторов, зависеть и от того, какова была подвижность контрольной смеси. Это подтверждается результатами [1], согласно которым бетонная смесь с начальной ОК=2 см при дозировке С-3 0,6% достигла подвижности 15 см, а при начальной ОК=5 см – 24 см. Таким образом, колебания подвижности в рекомендуемом диапазоне 2-4 см могут изменять величину пластифицирующего эффекта.

Найденная по характеру изменения подвижности дозировка СП является окончательной, если она лежит в области, где прочность бетона не снижается. Если же она находится в области падения прочности бетона, то за окончательную следует принять дозировку, соответствующую началу падения прочности.

Следует отметить, что в ряде случаев расход СП ограничивается не началом падения прочности или неэффективностью дальнейшего увеличения расхода добавки, а расслоением или перепластификацией бетонной смеси.

Водоредуцирующий эффект

Водоредуцирование и пластификация бетонной смеси являются двумя следствиями разжижающего действия СП на цементное тесто. Поэтому они взаимосвязаны, и каждый из этих эффектов может быть ориентировочно пересчитан в другой при помощи зависимости подвижности бетонной смеси от водосодержания.

Схема экспериментальной части для определения водоредуцирующего эффекта аналогична предыдущей. Но контрольная бетонная смесь принимается с той подвижностью, которую должен иметь искомый состав с добавкой. Она сохраняется и в 3-х составах с разными расходами СП, что достигается сокращением водосодержания бетонных смесей. Расход цемента остается неизменным, снижение расхода воды компенсируется увеличением количества заполнителей. Результаты испытаний обрабатываются графически (рис. 2).

Как видно из рис. 2а, величина водоредуцирования бетонной смеси снижается во всем диапазоне дозировок СП. Поэтому по кривой сложно установить оптимальную дозировку добавки, следовательно, определить и величину эффекта. В то же время кривая прочности бетона имеет выраженный максимум, после чего прочность снижается, несмотря на продолжающееся сокращение расхода воды. Оптимальная дозировка добавки может быть установлена по положению максимума прочности2.

Следует отметить, что водоредуцирование (снижение В/Ц) в отличие от пластификации важно не само по себе, а лишь при условии его трансформации по мере твердения бетона в повышение плотности и прочности.

Разумеется, водоредуцирование является важнейшим фактором, определяющим эффекты СП в бетонах из равноподвижных смесей. Влияние таких характеристик цемента, как содержание алюмината, вида и количества минеральных добавок, тонкости помола на эффект СП происходит в первую очередь вследствие изменения ими величины водоредуцирования. Поэтому она используется для оценки эффективности СП, например, по углу наклона кривой. Но этот критерий не учитывает оптимальную дозировку СП, а определить ее только по водоредуцированию весьма сложно.

Поэтому следует привлечь изменение прочности бетона, имеющее максимум, по которому определяется оптимальная дозировка СП (рис. 2б). Таким образом, окончательное заключение об эффективности добавки (или сочетания СПхЦ) можно сделать при учете ее прочностного эффекта.

Прочностной эффект

Рассматривается прочность бетона с СП стандартного возраста. Характер ее изменения при пластификации и водоредуцировании представлен на рис. 1б и 2б, соответственно.

При пластификации В/Ц постоянно и прочность не меняется, тогда как при водоредуцировании В/Ц уменьшается и прочность растет. Но при определенной дозировке СП прочность в обоих случаях начинает снижаться, что и определяет оптимальную дозировку добавки.

Разжижающий цементное тесто эффект СП (основа его действия в бетонной смеси) в этих случаях проявляется различным образом. При водоредуцировании СП трансформируется в повышение прочности, тогда как при пластификации он увеличивает подвижность смеси, но на прочности до достижения определенной дозировки СП практически не отражается.

Прочностной эффект при водоредуцировании. Прочностной эффект при пластификации гораздо менее выражен, чем при водоредуцировании. Поэтому далее рассматривается прочность бетона с СП в варианте водоредуцирования.

Максимумы прочности бетона с СП устойчиво наблюдаются как для обычных пластификаторов, так и нафталин- и меламинформальдегидных СП и поликарбоксилатов [4]. В отдельных случаях, когда спада прочности не происходит, оптимальный расход СП может быть установлен по замедлению роста прочности (добавка становится неэффективной). Так, для бетонов на высокоалюминатных цементах при дозировках СП до 1,25% снижения прочности не наблюдалось, но ее рост в диапазоне 1-1,25% был незначительным. Это позволило определить оптимальный расход СП ~1% [5].

Ш.Т. Бабаевым и А.А. Комаром подробно изучено влияние вида цемента на эффекты СП. Использованы 22 вида портландцемента и добавки 10-03 (меламинформальдегид) и 40-03 (нафталинформальдегид), примененные для водоредуцирования смесей [5].

Установлено, что основным фактором, влияющим на оптимальную дозировку СП этих типов, является содержание С3А в цементе. Она увеличивалась от ~0,5% для низкоалюминатных цементов до ~1% для высокоалюминатных. При этом величина водоредуцирования несколько снижалась при росте алюминатности цементов. Эти результаты подтверждены многими исследованиями.

Кроме повышения прочности при снижении В/Ц в бетонах с СП наблюдается и второй эффект: колебания прочности при определенном В/Ц. В цитируемой работе, в частности, исследованы бетоны на 10 средне­алюминатных цементах. В шести случаях прочность при водоредуцировании нарастала в хорошем соответствии с уменьшением В/Ц. Но для бетонов на 2-х цементах она увеличивалась в большей степени, а на 2-х других – в заметно меньшей. Это представлено для СП 40-03 (нафталинформальдегид) на рис. 3 (для СП 10-03 картина аналогична [6]).

Весьма существенно, что эта разница не была связана с различным водоредуцированием бетонных смесей с добавками. Уменьшение расхода воды при СП=0,75% для цементов 1 и 2 составило 22,9-24%, а для цементов 3 и 4 – 21-23%.

Таким образом, при одинаковой реологической совместимости (снижении В/Ц) прочностные эффекты СП при некоторых цементах могут быть существенно различными.

Составляющие прочностного эффекта. Прочностной эффект СП при водоредуцировании определяется в первую очередь снижением В/Ц. В то же время при том же В/Ц прочность бетона с СП может заметно колебаться. Таким образом, прочностной эффект СП слагается из:

— повышения прочности вследствие уменьшения В/Ц;

— ее колебаний при том же В/Ц.

Первый из этих эффектов зависит от эффективности СП, второй – только от совместимости СП и цемента.

Для анализа прочностного эффекта Ю.М. Баженовым предложено прочность бетона с СП со сниженным В/Ц рассчитывать по формуле, а дополнительное влияние добавки учитывать поправочным коэффициентом (обозначенным К2). Если добавка не влияет на прочность, то К2=1 [7].

Таким образом, схема анализа включает расчет прочности бетона с СП по формуле Боломея-Скрамтаева и сравнение расчетной прочности с фактической. Используется формула Rб=АRц (Ц/В – 0,5). Для бетонов с СП она справедлива в широком диапазоне Ц/В (до 4 [7]. Но ее нужно предварительно уточнить для применяемых материалов (если это не сделано ранее для других производственных нужд). Для этого достаточно одного значения прочности контрольного бетона (Rо). Его подстановка в формулу позволит определить К=АRц.

Пример: Бетон с Ц/В=2 и расходом воды 180 кг/м3 имеет стандартную прочность 36 МПа. При введении СП и сохранении подвижности смеси расход воды сократился до 144 кг/м3, а Ц/В повысилось до 2,5. Требуется рассчитать прочность бетона с СП в 28-суточном возрасте.

Формулу прочности в этом случае лучше использовать в виде Rб=К(Ц/В-0,5), где К=ARц – коэффицент качества материалов, включая цемент, т.е. учитывая его активность. Подставив в нее данные для бетона без добавки, получаем К=24. Расчетная прочность бетона с СП составит: Rсп=24(2,5-0,5)=48 МПа.

Коэффициент прочностной совместимости. Сравнивая расчетную и фактическую прочности бетона с СП, определяют коэффициент, характеризующий «прочностную» совместимость СП и цемента:

Кпс=Rсп/Rсп. расч.

По-видимому, фактическая прочность должна быть не ниже расчетной (Кпс≥1), и чем больше ее превышение, тем более эффективен СП в сочетании с данным цементом.

Разделение прочностного эффекта СП на «составляющие» исследовал в своих работах Г.В. Несветаев для различных комбинаций цементов и СП [8, 9]. Его название: «коэффициент, учитывающий влияние добавки на формирование прочности бетона» [9]. Термин «прочностная совместимость» [6] и название «коэффициент прочностной совместимости» [10] появились позже.

Коэффициент Кпс характеризует только прочностную совместимость цемента и СП. Он не учитывает влияния на прочность реологического эффекта (величины снижения В/Ц).

Критерии эффективности СП

Таким образом, величина пластификации или водоредуцирования не всегда полностью определяет эффективность СП. Поэтому нужно привлекать прочностной эффект. Он может быть охарактеризован приростом прочности бетона с СП:

ΔRсп=Rсп-Rо (МПа или %)

Остается учесть расход добавки (СП, %), и получим коэффициент, являющийся техническим критерием эффективности СП (Ксп):

Ксп=ΔRсп/СП

Он характеризует интенсивность роста прочности бетона [6], т.е. ее приращение при расходе СП 1%.

Но в связи с различной стоимостью СП (и цементов) этот критерий часто является недостаточным, и приходится привлекать экономические характеристики.

При оценке эффективности СП возможны три основные ситуации:

— оценка одной пары «СПхЦ»);

— выбор добавки для данного цемента;

— выбор цемента для данного пластификатора.

Оценка одного сочетания «СПхЦ)

При испытании одной пары ЦхСП ее ориентировочная оценка может быть выполнена по коэффициенту прочностной совместимости. Если Кпс≥1, сочетание можно признать вполне удовлетворительным.

Выбор добавки для данного цемента

При близкой стоимости выбор более эффективной СП может быть произведен по величине Ксп=ΔRсп:СП.

Но обычно добавки существенно отличаются по стоимости. Критерием для выбора может стать прочностной эффект, отнесенный к цене соответствующей дозировки добавки (Цсп):

Кэ.сп=ΔRсп:Цсп (% или МПа/руб.).

Он показывает величину прочностного эффекта на единицу стоимости добавки.

Показатель станет более наглядным, если, как это предлагает Г.В. Несветаев [8], отнести цену СП к приросту прочности, а последний выразить в МПа: получим стоимость повышения прочности бетона на 1 МПа.

Но для выбора наиболее эффективной добавки может быть достаточен любой из рассмотренных вариантов.

Выбор цемента для данного пластификатора

При близкой стоимости цементов выбор оптимального варианта может быть произведен по интенсивности роста прочности бетона в зависимости от примененного цемента, т.е. Ксп (величина прироста прочности бетона при расходе добавки 1%). Для цемента 1 (рис. 3) она составила 80%, для цемента 3 – 43%. Следует отметить, что реальные прочностные эффекты ниже, так как оптимальный расход СП обычно меньше 1%.

При различной стоимости цементов ситуация усложняется, т.к. в этом случае уже исходные бетонные смеси могут иметь различную стоимость. Оптимальная дозировка СП, следовательно, и ее стоимость также может быть различной (бетоны 3 и 4 на рис. 3).

В этой ситуации нужно сравнивать стоимости бетонных смесей с СП на разных цементах (точнее, материалов для приготовления 1 м³ смеси). Разумеется, должны сопоставляться равнопрочные бетоны. Выравнивание прочности можно провести расчетным путем (повышение прочности на 1 МПа требует примерно 8 кг цемента на кубометр бетона).

Библиографический список

1. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. – М.: Технопроект, 1998, – 768 с.

2. Батраков В.Г., Тюрина Т.Е., Фаликман В.Р. Пластифицирующий эффект добавки С-З в зависимости от состава цемента // Бетоны с эффективными модифицирующими добавками. – М. 1985, с. 8-14.

3. Зоткин А.Г. Определение оптимальной дозировки суперпластификатора в бетоне // Технологии бетонов, №3, 2013, с. 35-39.

4. Зоткин А.Г. Бетоны с эффективными добавками. Вологда: Инфра-инженерия, 2014, – 160 с.

5. Бабаев Ш.Т., Комар А.А. Энергосберегающая технология железобетонных конструкций из высокопрочного бетона с химическими добавками. – М.: Стройиздат, 1987, – 240 с.

6. Зоткин А.Г. Прочностная совместимость цементов с суперпластификаторами // Технологии бетонов, №9, 2014, с. 22-26.

7. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Стройиздат, 1984, – 524 с.

8. Несветаев Г.В. Эффективное применение суперпластификатора «Полипласт СП-1» // Технологии бетонов, 2006, №1, с. 22-24; №2, с. 6-9.

9. Несветаев Г.В. Некоторые вопросы применения добавок для бетонов // Бетон и железобетон. – СПб, №2, 2011, с. 78-80.

10. Антонян А.А., Никогосян В.Н. Изучение вопросов прочностной совместимости цементов с суперпластификаторами // Технологии бетонов, №1, 2017, с. 22-26.

---