CC BY
15УДК 666.972.1
Л.Г. МАХОТИНА, д-р техн. наук, А.Г. КУЗНЕЦОВ, магистр техники и технологий (anton.kuznetsov@hotmail.com), Э.Л. АКИМ, д-р техн. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров; Д.В. ГЕРЧИН, В.П. ОВЧИННИКОВА, кандидаты техн. наук, И.В. ПОТАПОВА, инженер, ЗАО «Институт «Стройпроект» (Санкт-Петербург)
Использование биополимера арабиногалактана в качестве пластифицирующей добавки в бетоны и строительные растворы
Развитие строительной индустрии привело к появлению и активному внедрению высокопрочных и самоуплотняющихся бетонов, в состав которых входят пластифицирующие добавки, позволяющие повысить подвижность бетонной смеси, снизить водоцемент-ное отношение, обеспечив тем самым повышение прочности бетона. В связи с этим на сегодняшний день одними из наиболее востребованных добавок в бетоны и строительные растворы являются пластификаторы.
В настоящее время на строительном рынке представлено большое количество различных видов пластифицирующих добавок, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными производителями. Наиболее востребованы продукты конденсации нафталинсульфо-кислоты и формальдегида, продукты на основе поли-карбоксилатов и продукты на основе лигносульфонатов технических (ЛСТ). Однако импортные пластификаторы на основе поликарбоксилатов имеют высокую стоимость, а лигносульфонатов становится все меньше и меньше в связи с тем, что закрываются производства сульфитной целлюлозы, побочным продуктом которых они являются. В Европе практически не осталось заводов по производству целлюлозы методом сульфитной варки, в России пока еще сохранилось несколько заводов, но в основном целлюлозу получают методом сульфатной варки древесины.
В связи с этим поиск новых экологически чистых и недорогих веществ, которые могут быть использованы в качестве пластификаторов, является весьма актуальным.
Целью работы являлось исследование возможности использования арабиногалактана в качестве пластифицирующей добавки в бетоны и строительные растворы, а также оценка влияния такой добавки на некоторые свойства цементсодержащих композиций.
Арабиногалактан — это смешанный полисахарид с высокой степенью разветвления. Он выделяется из древесины лиственницы при экстракции горячей водой в качестве побочного продукта, в процессе производства сульфатной целлюлозы.
Лиственница составляет большую часть запасов древесины хвойных пород в лесах Восточной Сибири
и Дальнего Востока, в связи с чем производство целлюлозы из древесины лиственницы является для России весьма актуальным. Несмотря на это, промышленное производство сульфатной целлюлозы из 100% древесины лиственницы в России отсутствует, что связано с рядом специфических особенностей этого вида хвойной породы. Она имеет высокую плотность, повышенную смолистость, относительно небольшое количество целлюлозы и высокое содержание веществ, растворимых в горячей воде, основным из которых и является арабиногалактан. Несмотря на большое количество научно-исследовательских работ, посвященных использованию арабиногалактана, вопрос о выявлении высокоэффективных путей его крупнотоннажного использования остается нерешенным [1, 2].
В ходе проекта «Лиственница»1 разработана технология сульфатной варки целлюлозы из древесины лиственницы и получена опытная партия арабинога-лактана [3, 4].
Данная работа проводилась в рамках проекта, поэтому для исследования использовали арабиногалактан, полученный в качестве побочного продукта при проведении опытно-промышленной выработки сульфатной целлюлозы из древесины лиственницы.
В результате проведенного исследования было установлено, что в соответствии с требованиями ГОСТ 4211— 2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» добавку арабиногалактана следует отнести к пластифицирующей (увеличение подвижности бетонных смесей от П1 до П2-П4, а растворных смесей от Пк1 до Пк2-Пк3, при снижении прочности бетона и раствора не более чем на 5%).
Арабиногалактан при введении в бетонные и растворные смеси позволяет повысить подвижность, снизить водоцементное отношение при сохранении заданной марки по удобоукладываемости, повысить прочность и водонепроницаемость бетона в проектном возрасте.
Наиболее целесообразная дозировка добавки ара-биногалактана в соответствии с результатами проведенных исследований находится в интервале 0,25—
1 Проект «Разработка инновационной технологии комплексной переработки древесины лиственницы (с выводом на мировые рынки нового вида товарной целлюлозы)» осуществляется при финансовой поддержке Министерства образования и науки России. Проект вышел победителем открытого публичного конкурса по отбору организаций на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства в целях государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций реального сектора экономики. Инициатором проекта выступило ОАО «Группа «Илим» совместно с Санкт-Петербургским государственным технологическим университетом растительных полимеров.
4
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2012
54 52
50
48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24
7 14
Возраст, сут
28
Рис. 1. Динамика набора прочности бетона: 1 - контрольный (без добавок); 2 - с добавкой арабиногалактана (0,5% от массы вяжущего); 3 - с комплексной добавкой арабиногалактан + нитрат натрия (0,5 и 1,2% от массы вяжущего соответственно); при постоянном водоце-ментном отношении
55
Е=
53
51
49
47
45
43
41
Ц 39 -
ф
О 37 -35
37 Возраст, сут
Рис. 2. Динамика набора прочности бетоном после проведения тепло-влажностной обработки: 1 - контрольный (без добавок); 2 - с добавкой арабиногалактана 0,5% от массы вяжущего; при постоянном водоце-ментном отношении
3
0,5% от массы вяжущего (при пересчете на сухое вещество). При концентрации добавки в указанном интервале удалось повысить марку по удобоукладываемости бетонной смеси от П1 до П2—П4 при снижении прочности бетона при сжатии в проектном возрасте не более чем на 5%, повысить прочность бетона на 9,5% (при дозировке арабиногалактана 0,5% от массы вяжущего и снижении водоцементного отношения с 0,49 до 0,46 при сохранении заданной подвижности бетонной смеси), а также повысить водонепроницаемость бетона на две ступени (ГОСТ 30459—2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности»).
Повышение прочности и водонепроницаемости бетона при введении добавки арабиногалактана и снижении водоцементного отношения зависит не только от концентрации добавки, но и от конкретного состава бетона, а именно: применяемого вяжущего, характеристик крупного и мелкого заполнителя, а также от их соотношения в составе бетона. Поэтому для количественной оценки изменения этих характеристик необходимо в каждом случае рассматривать конкретные составы бетонов и растворов и проводить соответствующие испытания в строительной лаборатории.
Наиболее близкой к арабиногалактану по своей природе является добавка лигносульфоната технического (ЛСТ) [5]. Арабиногалактан, как и ЛСТ, оказывает замедляющее действие на схватывание портландцемента и замедляет набор прочности бетоном и строительным раствором в раннем возрасте. Для оценки технической возможности устранения этого побочного эффекта была выполнена вторая часть исследования, включающая введение в бетонную смесь добавок — ускорителей набора прочности на ранних сроках твердения и, как альтернативный вариант, проведение тепловлажност-ной обработки бетона (ТВО).
На основании полученных результатов составлены графики, представленные на рис. 1 и 2.
Проанализировав полученные результаты, сделаны следующие выводы:
1. Арабиногалактан является эффективной пластифицирующей добавкой и позволяет получать бетонные смеси с высокой подвижностью при постоянном водо-цементном отношении. Кроме того, за счет повышения прочности бетона при снижении водоцементного отношения появляется возможность снизить количе-
ство вяжущего, снижая в конечном итоге себестоимость 1 м3 бетона.
2. В результате выполнения лабораторных замесов было выявлено, что добавка арабиногалактана не обладает эффектом дополнительного воздухововлечения. С одной стороны, дополнительное воздухововлечение в бетонную смесь может способствовать повышению морозостойкости бетона, с другой — каждый процент вовлеченного воздуха снижает прочность бетона на 3—6%, что может расцениваться в некоторых случаях как нежелательный эффект. Следует учитывать, что не все конструкции требуют обеспечения высокой марки бетона по морозостойкости, при этом снижение прочности бетона за счет неконтролируемого воздухововлечения в присутствии пластифицирующей добавки может потребовать увеличения количества вяжущего, что, в свою очередь, скажется на увеличении себестоимости 1 м3 бетона. Таким образом, отсутствие дополнительного воз-духововлекающего эффекта при введении добавки ара-биногалактана может в ряде случаев расцениваться как преимущество.
3. Арабиногалактан замедляет набор прочности бетоном на ранних сроках твердения. При нормальных условиях твердения бетона прочность образцов с добавкой арабиногалактана приближается к прочности контрольных образцов в возрасте 7 сут и дальнейший набор прочности происходит с одинаковой интенсивностью. Однако в возрасте 3 сут прочность образцов бетона с добавкой арабиногалактана на 30—35% ниже прочности контрольных образцов.
4. Замедление набора прочности бетоном в присутствии добавки арабиногалактана на ранних сроках твердения не должно однозначно расцениваться как недостаток добавки, скорее это ее особенность. Действительно, не во всех случаях требуется ускоренный набор прочности бетоном в ранние сроки твердения. Иногда требуется замедлить набор прочности на ранних сроках, например при бетонировании массивных конструкций с малым модулем поверхности, для того чтобы исключить слишком интенсивное тепловыделение твердеющим бетоном и снизить вероятность образования температурных трещин. Таким образом, особенность пластифицирующей добавки ара-биногалактана замедлять набор прочности бетоном в ранние сроки и снижать интенсивность тепловыделения при гидратации портландцементного клинкера
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® декабрь 2012
может расцениваться как преимущество при бетонировании таких конструкций.
5. При использовании добавки арабиногалактана как пластификатора при изготовлении железобетонных изделий на заводах ЖБИ рекомендуется использовать тепловлажностную обработку бетона с целью устранения эффекта замедления набора прочности бетоном в ранние сроки твердения в присутствии араби-ногалактана. В связи с тем, что тепловлажностная обработка железобетонных изделий, как правило, используется на заводах ЖБИ, применение арабинога-лактана не повлечет каких-либо технологических изменений и позволит изготавливать железобетонные изделия в те же сроки без снижения отпускной прочности.
6. При бетонировании монолитных конструкций в тех случаях, когда требуется интенсифицировать набор прочности бетоном в ранние сроки твердения с целью ускорения оборачиваемости опалубки, а также повышения темпов строительства, предлагается вводить в состав бетона добавку арабиногалактана в сочетании с добавкой — ускорителем твердения, например с нитратом натрия. Оптимальная концентрация добавки арабиногалактана находится в интервале от 0,25 до 0,5% от массы вяжущего в пересчете на сухое вещество. Оптимальная дозировка добавки нитрата натрия принадлежит интервалу 1,2—1,4% от массы вяжущего в пересчете на сухое вещество.
7. Точные дозировки добавок арабиногалактана и нитрата натрия зависят от применяемых инертных, вяжущих, других добавок, а также от их соотношения в составе бетонной смеси. Окончательное решение о ко-
личестве вводимых добавок должно приниматься на основании результатов испытаний, полученных при подборе состава бетона в строительной лаборатории.
Ключевые слова: пластификатор, арабиногалактан, лигносульфонат технический.
Список литературы
1. Большаков Н.Н., Сушкова О.И., Волкова О.А. и др. Распределение арабиногалактана и дигидрокверце-тина в древесине лиственницы лесосырьевой базы Усть-Илимского лесопромышленного комплекса // Химия древесины. 1991. № 4. С. 85-90.
2. Антонова Г.Ф. Исследование фракционного состава полисахарида арабиногалактана древесины лиственницы сибирской // Химия древесины. 1997. № 4. С. 97-100.
3. Аким Э.Л., Молотков Л.К., Сапрыкина Н.Н. и др. Проект «Лиственница». Электронно-микроскопические исследования анатомического строения древесины лиственницы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2011. № 7. С. 26-31.
4. Аким Э.Л., Молотков Л.К., Сапрыкина Н.Н. и др. Проект «Лиственница». Электронно-микроскопические исследования арабиногалактана в древесине лиственницы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2011. № 10. С. 26-32.
5. Добавки в бетон: Справочное пособие / Под редакцией B.C. Рамачандрана. М.: Стройиздат, 1988. 572 с.
Активатор
AKTMBaiop-2SL
100
*
30
■■
и ЕВ * 40 & 5 мин. /
/ 1 МИН. •
20 0 ✓ •
10 100
диаметр частиц, мкм
Для пробоподготовки материалов
Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лаборатории.
Активатор-4М
100
80
. 60 а
£ 40
20
2 мин. ■ V*
■ • V 1 мин.
1*
1 Ю 100
диаметр частиц, мкм
Для наработки небольших партий материалов
Активатор-28
Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах
www.activator.ru »
Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (383) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail: be!yaev@activator.ru
6
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2012
jVJ ®
