Будет ли так продолжаться и дальше? С европейского рынка добавки на нафталин-формальдегидной основе сейчас активно вытесняются так называемыми поликарбоксилатными гиперпластификаторами. На самом деле это название, с научно-технической точки зрения, является не совсем правильным. Приставки «супер» и «гипер» происходят из разных языков, но имеют практически одинаковое семантическое значение. Супер – от латинского super (сверху, над) означает превосходство, высшую степень чего-либо. Гипер – от греческого hyper (над, сверху) указывает на превышение нормы, превосходство над ней. Кроме того, молекулы поликарбоксилатной основы, как правило, имеют скорее олигомерную, чем полимерную структуру.

Механизм действия этих двух пластификаторов разный. Добавки на нафталин-формальдегидной основе вызывают эффект электростатического отталкивания, отодвигая молекулы воды от частиц цемента, а поликарбоксилаты обладают стерическим эффектом – вызывают проскальзывание. Предпочтение в выборе той или иной добавки, разумеется, зависит не от ее названия или механизма действия, а определяется двумя основополагающими факторами – эффективностью и стоимостью. Эффективность пластификаторов традиционно определяют по изменению подвижности смеси (1). Суперпластификатор, по определению, изменяет подвижность бетонной смеси с П1 до П5 (превращает малоподвижную смесь в литую). Гиперпластификатор, вроде бы, делает практически то же самое, только при вдвое меньшем расходе. Правда и стоимость его выше, причем даже не в разы, а на целый порядок.

Однако, если рассматривать не пластифицирующую, а водоредуцирующую способность, разница становится достаточно заметной. Добавки на нафталин-формальдегидной основе обладают водоредуцирующей способностью, не превышающей 25% (да и то только в лучших случаях). На практике их водо-редуцирующая способность обычно не превышает 20%. Поликарбоксилатные добавки имеют водоредуцирующую способность 30% и более. У эфиров поликарбоксилатов она может доходить до 40%. Поэтому, все зависит от задач, которые ставятся перед добавкой. В большинстве ситуаций, имеющих место в современном отечественном строительстве, водоредуцирования в 20% вполне достаточно. Вообще, пластификаторы могут решать три задачи:

повышение подвижности смеси при постоянном водоцементном отношении (прочность при этом незначительно уменьшается);

снижение водоцементного отношения при неизменной подвижности (прочность резко увеличивается);

снижение расхода цемента при не изменяющейся подвижности (прочность – константа).

Вроде бы все просто и понятно, но тенденция, которая в настоящее время наблюдается в отечественном производстве товарных бетонов, в какую-либо логику не укладывается. Суперпластификаторы используются достаточно широко, но подвижность П3 – П4, необходимая для товарного бетона, обеспечивается, в основном, не с их помощью, а за счет снижения расхода щебня и повышения количества цемента. Не так давно мне попал в руки отчет о строительстве в 1937 г. канала имени Москвы. В то время пластификаторы соответствовали уровню не упаренной СДБ, но расход цемента для бетона, соответствующего теперешнему классу В25, в среднем, не превышал 300 кг/м3. Сейчас, при наличии современных суперпластификаторов, расход цемента для производства такого бетона, как правило, существенно превышает 400 кг/м3. Учитывая, что даже ПЦ 400 тогда был редкостью, а сейчас ряд бетонных заводов уже давно работает на ПЦ 500, такая тенденция вызывает очень много вопросов. На некоторые из них ответить можно.

Почему производители товарного бетона значительно уменьшают расход щебня в его составе?

Раньше в процессе приготовления бетона использовали не менее трех фракций щебня. Промежутки между крупными зернами щебня заполнялись зернами средней фракции, промежутки между ними – мелкой фракцией, а оставшееся свободное пространство (которого оставалось совсем немного) заполняла растворная составляющая. Для обеспечения требуемой удобоукладываемости смеси устанавливался нормируемый коэффициент раздвижки зерен щебня, зависящий от водоцементного отношения и расхода цемента. Подвижность смеси регулировалась водоцементным отношением.

Сейчас в составе товарного бетона подавляющего числа бетонных заводов присутствует не более двух фракций щебня, а чаще, вообще, смесь фракций, загружаемая через один дозатор. Так проще и дешевле. При этом качество щебня резко упало. Предельные нормы по количеству лещадочных зерен и по пыли перекрываются в разы. Раньше щебень мыли практически на всех бетонных заводах. Сейчас это почти нонсенс.

Товарный бетон, имеющий подвижность П4, сам по себе требует меньшего расхода щебня, чем на заводах ЖБИ, так как «защебеночность» бетонной смеси (это новый термин, введенный производителями товарного бетона) не позволяет, после определенного предела, увеличить подвижность даже при существенном увеличении расхода воды или пластификатора.

Таким образом, причины снижения расхода щебня в товарных бетонах имеются, они объективны и частично оправдывают это действие.

Для чего производители товарного бетона так сильно увеличивают расход цемента?

Во-первых, снижение расхода щебня автоматически ведет к увеличению доли растворной компоненты, а соответственно, и расхода цемента. Во-вторых, фактическая активность цемента сейчас практически никогда не соответствует его заявленной марке. Если ПЦ 400, соответствующий своей марке, иногда еще можно найти, то для ПЦ 500 это уже почти нереально. Желающие могут ознакомиться со статистикой, приведенной к.т.н. В.В. Бушихиным и Г.М. Полозовым (2). С каждым годом ситуация ухудшается, появляется все больше «левых» и проблемных цементов. Низкая фактическая активность и проблемы с качеством цемента приводят к необходимости существенно завышать его количество в бетонной смеси. Эти причины объективные, но существует и третья, субъективная причина. Заниженный расход суперпластификатора. На этом вопросе следует остановиться значительно подробнее.

Первый отечественный суперпластификатор на нафталин-формальде-гидной основе был разработан бессменным руководителем лаборатории добавок НИИЖБа д.т.н. В.Г. Батраковым и его сотрудниками-учениками С.С. Каприеловым и А.И. Вовком, которые, впоследствии, тоже стали докторами технических наук. Эта добавка (С-3) до сих пор является лучшим отечественным суперпластификатором. Она с тех пор почти не изменилась по сути, но изменила название. Сейчас все чаще ее называют СП-1, она, в качестве основы, присутствует в таких добавках как СП-2, СП-3, СП-4, Релаксол, Реламикс, Суперпласт и т.д. и т.п.

Первоначально расход С-3 рекомендовалось принимать в пределах 0,7–0,8% от цемента (по сухому остатку). Именно при таком расходе эта добавка действительно является суперпластификатором: повышает подвижность с П1 до П5, либо позволяет снизить расход воды на 20–25%. В обычных бетонных смесях превышение этого расхода было признано неоправданным, но в системах, включающих микрокремнезем, молотый песок, микромрамор и другие мелкодисперсные наполнители, расход С-3 мог быть значительно больше.

В частности при использовании МБ 10-01 он доходил до 2%, в ВНВ-100 до 2,5%, а в ВНВ-30 до 3%.

В настоящее время наблюдается обратная тенденция. Производители СП-1 (С-3) сначала рекомендовали уменьшить его расход до 0,6%, а сейчас уже считается нормой 0,5%. При этом эффективность добавки ни в коей мере не увеличилась.

Чем же вызвано снижение расхода суперпластификатора СП-1?

Дело в том, что при сниженном расходе щебня и увеличенном количестве цемента, 0,5% СП-1 вполне достаточно для получения бетона класса В25 при водоцементном отношении около 0,4. Телега ставится впереди лошади. Если вышеприведенные тенденции сохранятся, скоро мы опять вернемся к неупаренной СДБ и цементам марки 200. Тем более, что в Санкт-Петербурге она уже производится, а современные «гармонизированные» ГОСТы (3, 4) допускают выпуск таких цементов! Класс 22,5Н позволяет снижать активность цемента до 22,5 МПа. А поскольку нормы разрешают что-либо, значит это, в конечном счете, произойдет, и скорее раньше, чем позже. На фоне прогрессирующего развития бетоноведения в Европе, США и Японии, это даже не регресс, а скольжение в каменный век.

При этом, отечественные производители суперпластификаторов, хотя и задумываются о разработке более эффективных добавок взамен морально устаревших или о модификации имеющихся с целью, пусть даже не кардинального, а просто существенного улучшения их свойств, но дальше этих задумок дело не идет.

Между тем, возможность существенного усиления свойств суперпластификаторов на нафталин-формальдегидной основе, причем не мифическая, а вполне реальная, уже имеется. В последнее время разработан целый ряд присадок, позволяющих увеличивать силу пластифицирующих добавок.

Присадка отличается от добавки, в первую очередь, значительно меньшей дозировкой. Расход добавок обычно составляет проценты или их десятые доли от расхода цемента по сухому остатку (часть добавок поставляется в виде концентрированных или готовых водных растворов). Количество присадки может измеряться в сотых, тысячных (а в исключительных случаях) и десятитысячных долях процента. Второй особенностью является то, что эффективность системы «добавка-присадка» существенно превышает совместное действие двух разных пластифицирующих добавок, даже в том случае если оно приводит к синергетическому эффекту. Третья особенность заключается в том, что дозировку присадки рассчитывают не от расхода цемента (как это принято для любых добавок), а от расхода самой добавки.Таких присадок на сегодняшний день разработано уже несколько. В этой статье мы рассмотрим только одну из них. Данная присадка, в отличие от некоторых других, не имеет никакого отношения к нанотехнологиям и наноматериалам. Это химическое вещество – натриевая соль тетра сульфофлуорантеновой кислоты, впервые синтезировано к.х.н. А.А. Козеевым. Для краткости мы обозначаем ее ЖЧ (желтое чудо). Присадка ЖЧ легко растворяется в воде. При рабочих концентрациях она образует прозрачный раствор характерного желтого цвета. Эта присадка позволяет существенно усилить пластифицирующую и водоредуцирующую способность практически любой пластифицирующей добавки, но в данном контексте, мы ограничимся только добавками на нафталин-формальдегидной основе.

Эти отечественные добавки, существенно не модифицировавшиеся уже третье десятилетие, в сочетании с ЖЧ, могут успешно конкурировать с европейскими гиперпластификаторами на поликарбоксилатной основе. Тем более что стоимость ЖЧ, в случае ее промышленного производства, будет примерно соответствовать стоимости европейских гиперпластификаторов, а его дозировка измеряется всего несколькими процентами от расхода суперпластификатора.

Оптимальная дозировка каждой присадки индивидуальна (от 8 до 0,1% от массы добавки).

В случае суперпластификаторов на нафталин-формальдегидной основе, она зависит от содержания активного вещества в составе суперпластификатора. Нами экспериментально установлено, что для СП-1 (С-3) с содержанием активного вещества 72% оптимальная дозировка ЖЧ составляет 4,4% от расхода этой добавки.

Для количественной оценки влияния ЖЧ на водоредуцирующую способность суперпластификатора СП-1, взятого в различных дозировках, был поставлен производственный эксперимент. В качестве вяжущего использовался Пикалевский ПЦ 400 Д20, в качестве заполнителя – природный кварцево-полевошпат-ный песок (крупный). Дозирование добавки и присадки осуществлялось с точностью до 0,01 г, а воды, цемента и песка – с точностью до 1 г.

Мелкозернистый бетон приготавливался в передвижном растворо-смесителе гравитационного действия с рабочим объемом в 50 л. Подвижность смеси во всех замесах поддерживалась на постоянном уровне (П5). Водоредуцирующая способность оценивалась по изменению расхода воды, гарантированно обеспечивающего неизменную подвижность. Поскольку эксперимент проводился на реальном мелкоштучном производстве тонкостенных изделий из мелкозернистого бетона с высоким качеством поверхности (фактурных тротуарных плит пониженной толщины), измерялась только водоредуцирующая способность добавки и системы добавка-присадка, а сплошной контроль прочности бетона не производился. Те, кто имеют представление о формулах Беляева и Скрамтаева-Боломея, сами могут прикинуть, на сколько прочность пластифицированного бетона превышала прочность контрольного. Для всех остальных поясню, что при уменьшении водоцементного отношения прочность и большинство качественных характеристик бетона резко усиливается. В связи с этим, прочностные характеристики пластифицированных изделий были заведомо выше, чем контрольных, что позволило уменьшить их толщину в 2 раза. Результаты производственного эксперимента представлены в таблице и на рисунках.

Эксперимент подтвердил, что уменьшение дозировки СП-1 с 0,8 до 0,5% приводит к двойному снижению эффективности этой добавки. При этом экономия от применения меньшего количества добавки составляет всего 37,5%. ЖЧ стабильно увеличивает эффективность СП-1 при всех рассмотренных дозировках. При сниженных дозировках СП-1 присадка компенсирует влияние снижения расхода добавки, а при оптимальной – усиливает ее действие до уровня, характерного для поликарбоксилатного гиперпластификатора. При низких водоцементных соотношениях это влияние несколько снижается, а при более высоких – остается постоянным во всем диапазоне измерений.

Статистически обработанные данные, приведенные в таблице, убедительно свидетельствуют, что присадка ЖЧ позволяет увеличить эффективность суперпластификатора на нафталин-формальдегидной основе до уровня поликарбоксилатного гиперпластификатора. Это открывает перед старым добрым С-3 целый ряд дополнительных возможностей. Например, широкомасштабное применение высокопрочных бетонов всех видов и, в первую очередь, – возможность получения самоуплотняющихся бетонных смесей, ради которых в свое время профессор Окамура и занялся поликарбоксилатными гиперпластификаторами. В нашей стране до настоящего времени, самоуплотняющиеся бетонные смеси применялись достаточно редко.

 Уникальные объекты, на которых это происходило, можно сосчитать на пальцах. Модификация нафталин-формальдегидных суперпластификаторов присадками не только даст реальную возможность избавиться от их вытеснения с отечественного рынка импортными гиперпластификаторами, но и позволит добиться широкого применения самоуплотняющихся бетонных смесей на самых разнообразных объектах нашей страны.