СП можно разделить на четыре группы [8]:
- меламиновые — сульфированные продукты конденсации меламина с формальдегидом («мельмент», 10-03, МФАС-Р-100 и др.);
- нафталиновые — сульфированные нафталин-формальдегидные соединения («майти», С-3, С-4 и др.);
- модифицированные лигиосульфонаты (НИЛ-20 и др.); полиолевые — производные полиокснкарбоновых кислот (ПЭО и др.).
Наиболее сильной разжижающей способностью обладают первые две группы СП.
СП относятся к гетероциклическим соединениям с полярными группами и углеводородными радикалами. В меламиновых и нафталиновых СП роль полярных групп выполняют ноны NaSO-3, в лигиосульфонатных и полиолевых — сульфогруппы, гидро- и карбоксильные группы.
Из отечественных СП наиболее распространен «Разжижитель С-3», разработанный в НИИЖБ на базе продуктов поликонденсации нафталинсульфокислот и формальдегида. По своей эффективности этот вид СП не уступает лучшим добавкам зарубежных фирм при значительно меньшей стоимости. При дозировке добавки 0,5...1% массы цемента он позволяет увеличить подвижность бетонной смеси от 2...4 до 20...22 см. В условиях равной подвижности бетоны с СП С-3 в результате уменьшения В/Ц имеют прочность в возрасте 28 сут на 30...50% выше, чем бетоны без добавки [8, 9]. При этом существенно возрастают плотность и водонепроницаемость, улучшается ряд других свойств бетона.
СП изготовляют обычно в виде 20...40%-ных водных растворов. Некоторые зарубежные СП поставляются в виде порошков. Водный раствор СП С-3 не изменяет своих свойств в случае нагревания до (40±5)°С. При температуре около +20°C в водном растворе С-3 начинается кристаллизация компонентов СП, усиливающаяся с понижением температуры. Оставшийся водный раствор сохраняет свои пластифицирующие свойства. Выпавшая в осадок часть компонентов С-3 после растворения имеет пониженное пластифицирующее действие. До применения добавки осадок разогревают или разбавляют водой с последующим перемешиванием раствора. При замораживании СП до —30°С, последующем оттаивании и перемешивании водный раствор С-3 не изменяет своих свойств.
В последние годы разработан ряд пластификаторов повышенной эффективности на основе традиционной и дешевой добавки в бетон — сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) — отхода гидролизного производства. Основное направление модификации СДБ — снижение содержания редуцирующих веществ, замедляющих процессы схватывания и твердения вяжущих. Модификации СДБ достигают, добавляя формальдегид, каустическую соду и др.
Известен и ряд других способов модифицирования СДБ: с помощью ионообменных смол, диализа, разгона на фракции и т. д. Уменьшение содержания редуцирующих веществ в СДБ может быть обеспечено адсорбированием их цементом. Таким способом получают, например, пластификатор НИЛ-20 [9]. Сущность способа заключается в смешивании водного раствора СДБ с цементом и последующем отстое. При этом компоненты, замедляющие его твердение, адсорбируются преимущественно на зернах цемента, продуктах его гидратации и затем удаляются вместе с осадком. Метод модификации достаточно простой, он предполагает использование недефицитного сырья и может быть реализован в построечных условиях или на заводах ЖБИ. Например, по технологии треста «Оргтехстрой» Минстроя ЛитССР модифицирование бардяного концентрата производят в бетономешалке, перемешивая 10%-ный водный раствор СДБ с цементом при последующем отстое.
Снижение содержания редуцирующих веществ, позволяет увеличить содержание СДБ до 0,5 ... 0,6% массы цемента без уменьшения прочности бетона.
Эффективность применения пластификатора возрастает с увеличением расхода цемента и исходной подвижности бетонной смеси. Введение НИЛ-20 в количестве 0,6% массы цемента увеличивает подвижность с 4...6 до 14...16 см при сохранении прочностных характеристик бетона как нормального твердения, так и подвергавшегося тепловлажностной обработке. При повышении дозировки пластификатора до 1% подвижность бетонной смеси возрастает до 20...22 см при снижении прочности бетона в начальные сроки твердения не более чем на 10%.
В равноподвижных бетонных смесях введение оптимального количества НИЛ-20 позволяет повысить прочность бетона на 20...25% пли снизить расход цемента не менее чем на 15%.
Близким по эффективности к добавке НИЛ-20 является другой представитель модифицированных бардяных концентратов — пластификатор ХДСК-1, нашедший широкое применение на Харьковском ДСК-1 и получаемый в специальной' установке путем гидродинамической, термической и химической обработки СДБ со щелочью. Использование ХДСК-1 значительно улучшает укладку бетона в кассеты, снижает его пористость, сокращает время тепловлажностной обработки изделий на 4 ч и уменьшает расход цемента на 12%.
Модифицированные бардяные концентраты приближаются по пластифицирующему эффекту к сильнейшим СП. Снижение водосодержания при их введении в бетонную смесь может достигать, как и в случае применения СП на основе кондиционных органических продуктов — нафталина и меламина, 18...25%.
Добавки СП диспергируют гидратирующиеся частицы цемента [8, 9] и поэтому, согласно современным физикохимическим представлениям, их можно отнести к поверхностно-активным веществам (ПАВ) — диспергаторам. По классификации П. А. Ребиндера [53], СП в основном представлены анионоактивными ПАВ, образующими при диссоциации отрицательные ионы RSO-3, RSOO-, ROH-.
В отличие от обычных пластификаторов лигиосульфонатного типа СП обладают большей длиной углеводородной цепи и молекулярной массой, что способствует их большей адсорбционной способности [3]. Будучи диспергаторами в гетерогенной системе вода—твердое тело—воздух, каковой и является бетонная смесь, СП сорбируются на поверхности раздела вода—твердое тело. При этом незначительно снижается поверхностное натяжение на границе вода—воздух и не происходит существенного воздухововлечения [2, 38, 47].
Разжижающее действие СП заключается в пептизации (дефлокуляции) агрегированных флокул цемента. Агрегированные на поверхности цементных частиц молекулы СП разделяют их и экранируют силы межмолекулярного притяжения. Иммобилизованная во флокулах вода освобождается, увеличивая объем дисперсной среды и способствуя разжижению цементного теста в бетонной смеси и снижению его вязкости [59].
Для обеспечения высокой подвижности бетонной смеси существенное значение имеет объем воды сольватных оболочек частиц цемента и в особенности объем наиболее быстро образующихся гидратных новообразований — гидроалюминатов кальция. Сольватные оболочки на поверхности твердой фазы удерживаются молекулярными силами. В результате адсорбции СП на поверхности твердой фазы количество воды сольватных оболочек уменьшается. При этом структура пленок СП не препятствует проникновению воды к поверхности цементных зерен и их гидратации. Это подтверждается исследованиями тепловыделения в цементном тесте с различными количествами добавок [2].
Наряду с дефлокуляцией и десольватацией эффекту разжижения в системе цемент—вода способствует изменение свойств поверхности твердой фазы. Чем выше степень шероховатости частиц, тем ниже должна быть вязкость концентрированных суспензий. Размер молекул СП составляет несколько нанометров, что позволяет пленке таких молекул перекрыть микронеровности на поверхности частиц цемента и создает лучшие условия для уменьшения сил, связанных с внутренним трением частиц в потоке суспензии.
Вязкость цементно-водной суспензии при введении СП уменьшается также благодаря созданию одноименного электрического заряда поверхности и, как следствие, снижению сцепления твердых частиц. О существенном изменении электрокинетического потенциала поверхности гидратирующихся частиц цемента в результате адсорбции СП свидетельствует ряд исследований [38, 59].
По данным [60, 61], электрокинетический потенциал поверхности частиц цемента при введении СП изменяется от +11 до —25...—35 мВ, что вызывает взаимное отталкивание однозначно заряженных частиц.
Значения электрокинетического потенциала (дзета-потенциал) и силы электростатического отталкивания связаны с адсорбционной способностью пластификаторов [38, 59]. Они зависят также от температуры и pH дисперсионной среды. При изменении минералогического состава цемента изменяются основность и значение дзета-потенциала, что должно влиять на пластификацию суспензии. Наиболее высокой адсорбционной способностью среди минералов цемента обладает С3А, наименьшей — βC2S. Высокодисперсная коагуляционная структура гидроалюминатных новообразований поглощает большое количество добавки, что снижает пластифицирующий эффект. Это известное . положение теории действия ПАВ, как показано в [16, 59], справедливо и применимо к СП, менее эффективным при использовании высокоалюминатных цементов.
Быстрое развитие поверхности новообразований во время гидратации цемента приводит к уменьшению толщины пленки на поверхности частиц, образовавшейся в первый момент контакта с раствором добавки, а затем к образованию кристаллического сростка, который поглощает молекулы добавки. При этом из-за небольшого количества вводимой добавки пленки не могут значительно влиять на прочность структуры бетона.
Таким образом, в соответствии с современными теоретическими представлениями [5, 33, 34], эффект разжижения цементного теста добавками СП определяется суммарным проявлением дефлокуляции агрегированных частиц цемента и освобождением иммобилизованной во флокулах воды, а также уменьшением внутреннего трения в системе цемент—вода в результате образования на цементных частицах пленки, состоящей из крупных полярных молекул, и возникновения электрического поверхностного заряда, отталкивающего частицы и облегчающего их скольжение.