Hva har vi lært av Polycarboxylic Superplasticizer i løpet av de siste 20 årene?

For omtrent 20 år siden ble en ny type superplastisator basert på polykarboksylatpolymerer (PCE) introdusert på det nordamerikanske betongkonstruksjonsmarkedet. Akkurat som introduksjonen av naftalenbaserte tilsetningsstoffer på 1970-tallet betydelig forbedret ulike tekniske egenskaper til både fersk og herdet betong, har polykarboksylater ytterligere hevet ytelsen til betongblandinger.

For eksempel har PCE-er muliggjort utvikling av selvkonsoliderende betong og opprettholdt slumpretensjon i over to timer uten vesentlig forlengelse av herdetiden. Jeg hadde privilegiet av å være en del av FoU- og markedsføringsteamet for et stort kjemisk tilsetningsselskap som lanserte den første serien med polykarboksylatbaserte produkter på 1990-tallet. Som alle nye teknologier introdusert i byggesektoren, har det vært en bratt læringskurve, som fremhever det mangfoldige utvalget av materialer og bruksområder i betongkonstruksjon. Denne artikkelen oppsummerer noen nøkkelytelsesegenskaper hentet fra både kommersielle applikasjoner og laboratorieforskning. Fordelene med polycarboxylate superplasticizers har tidligere blitt diskutert og publisert i The Concrete Producer.

Polykarboksylatfamilien

Begrepet "polykarboksylat" omfatter en stor familie av polymerer som kjemikere kan designe for å gi konkrete ytelser til betongblandinger. Etter introduksjonen av generelle PCE-superplastiserende midler, har nyere produkter blitt utviklet spesielt for å tilby høy tidlig styrke og ulike nivåer av slumpretensjon, samt ulike evner for å håndtere luftinnhold i betong. Én klasse av polykarboksylater påvirker minimalt med innledende nedgang, men har en tidsfrigjøringsfunksjon som lar nedgangen øke forutsigbart ettersom blandetiden forlenges (se figur 1). Følgelig kan denne typen produkter tilsettes i varierende doser til ferdigblandet betong for å oppnå ønsket slumpretensjon basert på arbeidsforhold (transporttid, temperatur, forsinkelse før utslipp osv.). Ofte er en superplasticizer formulert ved å bruke en blanding av to eller flere PCEer for å oppnå en kombinasjon av tidlig styrke og forlenget nedgangstid. Forskere vil fortsette å aktivt justere PCE-polymerstrukturen for å tilpasse seg utviklende material- og konstruksjonskrav.

• Luftinnfangning

Nesten alle polykarboksylatbaserte tilsetninger er formulert med et skumdemper for å håndtere uønsket luftinnfanging som vanligvis er forbundet med PCE-polymerer. For betongapplikasjoner med både luft og ikke-luft kan luftinnholdet generelt kontrolleres effektivt ved å velge PCE-superplastisatorproduktet som er mest kompatibelt med materialene som brukes. Variasjon i karboninnhold i flyveaske kan komplisere konsistent luftinnholdsstyring, ettersom den hydrofobe naturen til antiskummidler kan føre til adsorpsjon av karbon i flyveaske. Totalt sett kan PCE-baserte produkter forbedre effektiviteten til luft-medbringende tilsetninger (AEA) sammenlignet med polynaftalensulfonat (PNS)-baserte supermyknere, noe som muliggjør en lavere dosering av AEA for å oppnå tilsvarende luftinnhold.

• Virkningen av leire

I motsetning til PNS-superplastiserende midler, adsorberes PCE-polymeren lett og irreversibelt av visse leirefinstoffer som kan være tilstede i forskjellige aggregatkilder. Figur 2 illustrerer hvordan en leireholdig sand med en metylenblå-verdi på 1,30 kan påvirke de nødvendige dosene av PNS versus PCE-baserte superplastiserende midler for å oppnå kompatibel nedgang. Vanligvis, med leirefri eller lavleiresand, doseres PCE til omtrent en tredjedel av mengden PNS-baserte superplastiserende midler for lignende nedgang. Men når leire er tilstede i visse sand, kan det være nødvendig med en dose av PCE opptil 50 % høyere enn PNS. Hvis det oppstår en uventet økning i doseringen av PCE-superplastisatorer, bør kontroll av leirfinstoffer i tilslagstilførselen prioriteres.

• Fleksibel dosering

I motsetning til PNS-baserte superplasticizers, som alltid bør tilsettes på en forsinket måte (dvs. etter at sementen og vannet har begynt å blandes), er PCE-er relativt ufølsomme for tidspunktet for tilsetning, noe som gir større fleksibilitet under betongblandingsprosessen.

• Inkompatibilitet med PNS Superplasticizers

Bruk av PCE og PNS-baserte produkter i samme betongblanding kan føre til raskt tap av bearbeidbarhet. Derfor bør ikke disse to teknologiene, PNS og PCE, kombineres i samme betongblanding.

• Styrkesynergi med kalsiumbaserte settakseleratorer

Når PCE superplasticizers brukes sammen med settakseleratorer og korrosjonshemmere som inneholder kalsiumsalter, er det observert uventede styrkegevinster sammenlignet med lignende betongblandinger som bruker PNS-baserte produkter. Denne synergien i styrkeforbedring ble først notert i en blanding som inneholdt en kalsiumnitrittbasert korrosjonsinhibitor. Dataene oppsummert i tabell 1 ble rapportert av en betongprodusent som tidligere hadde brukt en kombinasjon av en lignosulfonatbasert ASTM C494 Type A vannredusering og en Type G PNS/ligninbasert superplastisator for å produsere forspente peler.

Den bemerkelsesverdige styrkeforskjellen som oppnås ganske enkelt ved å bytte superplastisatoren fra PNS til polykarboksylat har blitt validert gjennom vitenskapelige studier og kan bidra til å redusere sementinnholdet samtidig som den oppfyller styrkekravene. Interessant nok ser ikke styrkeforskjellen ut til å være knyttet til økt hydreringsvarme, men snarere til en tettere mikrostruktur produsert av kombinasjonen av kalsiumbaserte akselererende eller korrosjonshemmende tilsetninger og polykarboksylatbaserte tilsetninger.

PCE-superplastisatoren erstattet både PNS/lignin og Type A vannreduserende produkter med omtrent en tredjedel av doseringshastigheten. I tillegg er det verdt å merke seg at dosen av AEA som kreves for å oppnå samme luftinnhold ble redusert med 50 % i PCE-blandet betong.

Oppsummert, mens betongindustrien har fått betydelig innsikt i å utnytte allsidigheten og forstå begrensningene til PCE superplasticizers, vil kjemikere, i samarbeid med betongteknologer, fortsette å modifisere polymerstrukturer for å utvikle nye evner for å produsere, plassere og utvide tjenesten levetid for betongblandinger.