מה למדנו מחומר פלסטי-על פוליקרבוקסילי במהלך 20 השנים האחרונות?

לפני כ-20 שנה הוצג לשוק בניית הבטון בצפון אמריקה סוג חדש של חומרי פלסטייזר המבוססים על פולימרי פוליקרבוקסילטים (PCE). בדיוק כפי שהכנסת תערובות מבוססות נפתלין בשנות ה-70 שיפרה משמעותית את התכונות ההנדסיות השונות של בטון טרי והן מוקשה, הפוליקרבוקסילטים העלו עוד יותר את הביצועים של תערובות בטון.

לדוגמה, PCEs אפשרו את הפיתוח של בטון מגבש את עצמו ושמרו על שמירה על שפל במשך יותר משעתיים מבלי להאריך באופן משמעותי את זמני ההתייצבות. הייתה לי הזכות להיות חלק מצוות המו"פ והשיווק של חברת תערובות כימיות גדולה שהשיקה את הסדרה הראשונה של מוצרים מבוססי פוליקרבוקסילטים בשנות ה-90. כמו כל הטכנולוגיות החדשות שהוכנסו למגזר הבנייה, חלה עקומת למידה תלולה, המדגישה את מגוון החומרים והיישומים בבניית בטון. מאמר זה מסכם כמה תכונות ביצועים מרכזיות שנגזרות הן מיישומים מסחריים והן מחקרי מעבדה. היתרונות של חומרי פלסטי-על של פוליקרבוקסילטים נדונו בעבר ופורסמו ב-The Concrete Producer.

משפחת הפוליקרבוקסילטים

המונח "פוליקרבוקסילאט" מקיף משפחה עצומה של פולימרים שכימאים יכולים לעצב כדי להקנות ביצועים ספציפיים לתערובות בטון. לאחר הצגתם של חומרי פלסטי-על לשימוש כללי PCE, מוצרים חדשים יותר פותחו במיוחד כדי להציע חוזק מוקדם גבוה ורמות שונות של שימור שפל, כמו גם יכולות שונות לניהול תכולת אוויר בבטון. מחלקה אחת של פוליקרבוקסילטים משפיעה באופן מינימלי על צניחה ראשונית אך כוללת פונקציית שחרור זמן המאפשרת לשפל להגדיל באופן צפוי ככל שזמן הערבוב מתארך (ראה איור 1). כתוצאה מכך, ניתן להוסיף מוצר מסוג זה במינונים משתנים לבטון מעורב מראש כדי להשיג את שימור השפל הרצוי בהתבסס על תנאי העבודה (זמן הובלה, טמפרטורה, עיכוב לפני פריקה וכו'). לעתים קרובות, חומר פלסטייזר מנוסח באמצעות תערובת של שניים או יותר PCE כדי להשיג שילוב של חוזק מוקדם וחיי שפל ממושכים. החוקרים ימשיכו להתאים באופן פעיל את מבנה הפולימר PCE כך שיתאים לדרישות החומר והבנייה המתפתחות.

• לכידת אוויר

כמעט כל התערובות המבוססות על פוליקרבוקסילטים מנוסחות עם מסיר קצף כדי לנהל את לכידת האוויר הלא רצויה הקשורה בדרך כלל לפולימרי PCE. הן עבור יישומי בטון מובלים באוויר והן עבור יישומי בטון שאינו מובל באוויר, בדרך כלל ניתן לשלוט ביעילות על תכולת האוויר על ידי בחירת מוצר פלסטייזר ה-PCE התואם ביותר עם החומרים שבהם נעשה שימוש. שונות בתכולת הפחמן בתוך אפר זבוב עלולה לסבך את ניהול תכולת האוויר העקבית, שכן האופי ההידרופובי של מסירי קצף עלול להוביל לספיחתם על ידי פחמן באפר. בסך הכל, מוצרים מבוססי PCE יכולים לשפר את היעילות של תערובות סוחפות אוויר (AEA) בהשוואה לחומרי פלסטיק מבוססי פולינפטלין סולפונט (PNS), מה שמאפשר מינון נמוך יותר של AEA כדי להשיג תכולת אוויר שווה ערך.

• השפעת חימר

בניגוד לחומרי פלסטי-על של PNS, פולימר ה-PCE נספג בקלות ובאופן בלתי הפיך על ידי חומרי חימר מסוימים שיכולים להיות נוכחים במקורות מצרפים שונים. איור 2 ממחיש כיצד חול המכיל חימר עם ערך כחול מתילן של 1.30 יכול להשפיע על המינונים הנדרשים של PNS לעומת חומרי פלסטי-על מבוססי PCE כדי להשיג שפל תואם. בדרך כלל, עם חולות נטולי חימר או חולות חימר נמוכים, PCEs מקבלים מינון של כשליש מהכמות של חומרי פלסטי-על מבוססי PNS לשפל דומה. עם זאת, כאשר חימר מצוי בחולות מסוימים, ייתכן שיהיה צורך במינון של PCE גבוה ב-50% מ-PNS. לפיכך, אם מתרחשת עלייה בלתי צפויה במינון של חומר פלסטי-על PCE, יש לתת עדיפות לבדיקת עדינות חימר באספקה ​​המצרפית.

• מינון גמיש

בניגוד לחומרי פלסטי-על מבוססי PNS, שתמיד יש להוסיף אותם באיחור (כלומר, לאחר שהצמנט והמים החלו להתערבב), PCEs אינם רגישים יחסית לתזמון ההוספה, מה שמאפשר גמישות רבה יותר במהלך תהליך אצווה הבטון.

• אי תאימות עם PNS Superplasticizers

שימוש ב-PCE ובמוצרים מבוססי PNS באותה תערובת בטון עלול להוביל לאובדן מהיר של יכולת העבודה. לכן, אין לשלב את שתי הטכנולוגיות הללו, PNS ו-PCE, באותה תערובת בטון.

• סינרגיית חוזק עם מאיצי סט מבוססי סידן

כאשר משתמשים בחומרי פלסטי-על של PCE לצד מאיצי סט ומעכבי קורוזיה המכילים מלחי סידן, נצפו עליות חוזק בלתי צפויות בהשוואה לתערובות בטון דומות המשתמשות במוצרים מבוססי PNS. סינרגיה זו בשיפור החוזק צוינה לראשונה בתערובת המכילה מעכב קורוזיה על בסיס סידן ניטריט. הנתונים המסוכמים בטבלה 1 דווחו על ידי יצרן בטון שהשתמש בעבר בשילוב של מפחית מים מבוסס לינוסולפונט ASTM C494 Type A ו-PNS/Lignin Superplasticizer מסוג G לייצור כלונסאות דחוסות.

הפרש החוזק המדהים שהושג פשוט על ידי החלפת פלסטייזר העל מ-PNS לפוליקרבוקסילאט אומת באמצעות מחקר מדעי ויכול לסייע בהפחתת תכולת המלט תוך עמידה בדרישות החוזק. באופן מעניין, נראה שההבדל בחוזק אינו קשור לחום מוגבר של הידרציה, אלא למבנה מיקרו צפוף יותר שנוצר על ידי שילוב של תערובות מאיץ או מעכבי קורוזיה מבוססי סידן ותערובות מבוססות פוליקרבוקסילטים.

חומר פלסטי-העל של PCE החליף הן את ה-PNS/ליגנין והן את המוצרים מפחיתי מים מסוג A בכשליש משיעור המינון. בנוסף, ראוי לציין כי המינון של AEA הנדרש להשגת תכולת אוויר זהה הופחת ב-50% בבטון המעורב ב-PCE.

לסיכום, בעוד שתעשיית הבטון השיגה תובנות משמעותיות למינוף הרבגוניות והבנת המגבלות של חומרי פלסטי-על של PCE, כימאים, בשיתוף עם טכנולוגיות בטון, ימשיכו לשנות מבני פולימר כדי לפתח יכולות חדשות לייצור, הצבה והרחבה של השירות חיים של תערובות בטון.