CC BY
43
СОВРЕММЕННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ДОБАВКА ЖККА
Капленко Ольга Александровна
канд. техн. наук, доцент Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Северо-Кавказского филиала, РФ,
г. Минеральные Воды E-mail: olya-oite@mail. ru
MODERN UNIVERSAL ADDITION ZHKKA
Kaplenko Olga
candidate of Technical Sciences, docent, North-Caucasian Branch of Belgorod State
Technological University VG Shukhov, Russia Mineral Waters
АННОТАЦИЯ
В статье изучена возможность получения комплексной многофункциональной добавки и ее влияния на свойства и структуру бетонов.
ABSTRACT
The article explored the possibility of obtaining an integrated multi-functional additive and its effect on the properties and structure of the concrete.
Ключевые слова: воздухововлекающая добавка; пластифицирующий эффект; морозостойкость; цемент.
Keywords: air-entraining agents; plasticizing effect; frost-resistance; cement.
В современной технологии дорожных бетонов предусматривается применение воздухововлекающих добавок — поверхностно-активных веществ, повышающих значительно его морозостойкость и срок службы покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
Для повышения физико-механических и технологических свойств бетонов прочности, морозостойкости, ускорения твердения в бетоны вводят также комплексные добавки пластифицирующие и воздухововлекающие СДБ+СНВ, СДБ+СПД, ВРП+С; пластифицирующие-воздухововлекающие и воздухововлекающие добавки — ПАЩ-1+СНВ, ПАЩ-1+СПД, ПАЩ-1+С, ПАЩ-1+ОП; пластифицирующие-воздухововлекающие добавки и ускорители твердения — ПАЩ-1+ТНФ, ТКЖ-11+НК, ТКЖ-10+НК, НЧК+СН, КЧНР+СН,
ПАЩ-1+НК,; воздухововлекающие добавки и ускорители твердения — СНВ+СН; СНВ+ННХК, СНВ+НК, СПД+СН, СПД+ННХК; пластифицирующих, воздухововлекающих и ускорителей твердения — СДВ+СНВ+СН, СДБ+СНВ+НК, СДБ+СПД+СН, СДБ+СПД+НК, СДБ+НЧК+СН; пластифицирующие, пластифицирующие-воздухововлекаю-щие добавки и ускорители твердения — СДБ+КЧНР+СН.
В зависимости от состояния добавки ПАВ в водном растворе условно различают на истинно растворимые (молекулярно-диспергированые истинные растворы) и коллоидные растворы [2, с. 5].
Различают анионные, катионные и неионогенные ПАВ.
Анионные ПАВ содержат в молекуле одну или несколько молекулярных групп, при диссоциации в водном растворе образуют длинноцепочные анионы -СООН, -08020Н, -803Н. Гидрофобная часть молекулы обычно представлена непредельными или предельными алифатическими цепями или алкилароматическими радикалами. Поверхностная активность начинает проявляться при длине углеродной гидрофобной цепи С 8 и с увеличением длины цепи активность продолжает увеличиваться вплоть до полной потери растворимости ПАВ в воде (обычно при достижении числа углеродных атомов С в цепи равном 18) [3, с. 66].
Катионоактивные ПАВ в водном растворе диссоциируют с образованием поверхностно-активного катиона с длинной гидрофобной цепью и аниона — обычно галогенида. Преобладающими среди катионных ПАВ являются азотсодержащие соединения: амины и их соли, четвертичные аммониевые соединения с различными функциональными группами и др. [5, с. 65].
Неионогенные ПАВ не диссоциируют в воде. Их растворимость в воде обусловлена наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксильных групп, чаще всего полиэтиленгликолевой цепи. При растворении, в следствие возникновения водородной связи между кислородными атомами полиэтиленгликолевого остатка и молекулами воды, образуются гидраты.
Получение неионогенных ПАВ основано на реакции присоединения этиленоксида к жирным кислотам, спиртам, алкилфенолам и др. [7, с. 10].
Поскольку на поверхности минералов цемента и заполнителей имеются как отрицательные, так и положительные заряды [6, с. 18], то естественно, что эффективность поверхностно-активных добавок будет зависеть от наличия в их составе положительно и отрицательно заряженных ионов или функциональных групп.
С этой целью в ФГБОУ ВПО СКФ БГТУ им. В.Г. Шухова была изучена возможность получения комплексной многофункциональной добавки на основе высшей жирной кислоты, карбамида и хлористого аммония [1, с. 99],
Изучалось получение воздухововлекающей и пластифицирующей добавки путем проведения реакции синтеза высших жирных кислот (ВЖК) с карбамидом и хлористым аммонием [4, с. 4]. На модельных системах карбамид-хлористый аммоний — карбоновая кислота (ВЖК) изучалась кинетика реакции. Свойства индивидуальных исходных веществ соответствовали требованиям ГОСТ. Реакция проводилась в термостатированной четырехгорлой колбе, снабженной мешалкой с ртутным затвором, термометром, ловушкой Дина и Старка с холодильником и пробоотборным устройством. В колбу подавался азот. Опыты проходили в интервале температур 40—90 °С с точностью поддержания температуры ±1 °С. Отбирались пробы для определения кислотного числа. Ход реакции между сырьевыми компонентами, взятыми в эквимолярных количествах, в интервале 40— 90°С некоторое время характеризуется прямыми линиями, т.е. описывается уравнением 1-го порядка, затем скорость суммарной реакции уменьшается. Константы (К) (по кислоте) при 40, 65 и 90 °С соответственно равны 3,1 -10"5, 7,8- 10-5 и 18,0- 10-5 с-1, т.е. с повышением температуры на 10°С скорость увеличивается в 2,4 раза (рисунок 1).
Рисунок 1. Кинетика реакции между карбамидом, хлористым аммонием и ВЖК при различных температурах: 1 — плюс 40 °С; 2 — плюс 65 °С; 3 —
плюс 90 °С
Энергия активации (Е) равна 29,0 ккал/моль. При 65 °С и 90 °С реакция объединения практически завершалась за 3,2 ч. Продукты, полученные при 65—90 °С, представляют собой смесь уреидов разной степени ацилирования. При 65 °С изучалась кинетика реакции между карбамидом разных марок, хлористым аммонием и ВЖК С18 (таблица 1). Скорость реакции с карбамидом марки «Б» несколько больше, чем с маркой «А». Различие видно вначале и сглаживается к концу процесса. За 4—5 ч. реакций превращение реагентов происходит на 95—96 %.
Таблица 1.
Изменение содержания связанной ВЖК от времени реакции с карбамидом
разных марок и хлористым аммонием (температура 65 °С)
Продолжительность, мин ВЖК, вступившая в реакцию, %, с карбамидом марки
«А» «Б»
40 73,8 76,0
60 82,0 85,0
120 90,7 92,5
180 93,5 94,3
240 94,8 95,8
300 95,7 96,2
Качество продуктов зависит от соотношения ВЖК, карбамида и хлористого аммония и естественно свойств реагентов. Из карбамида, хлористого аммония и ВЖК можно получить разработанную добавку на установке непрерывного действия (рисунок 2).
ВЖК из обогреваемой емкости насосом Н-1, а 50 % водный раствор карбамида и хлористого аммония — насосом Н-2 из емкости 2 подается в змеевиковый реактор 3, помещенный в песчаную баню с электрообогревом. Парожидкостная смесь продуктов реакции направляется в отпарную колонну 4. С верха колонны пары воды, сконденсировавшись, попадают в отстойник 5. С низа колонны присадка выводится в емкость 6. Температура процесса 65— 80 °С, объемная скорость 1,0—1,5 л/мин.
Рисунок 2. Принципиальная схема установки получения эмульгаторов: 1 — емкость ВЖК; 2 — емкость водного раствора карбамида и хлористого аммония; 3 — реактор; 4 — отпарная колонна; 5 — отстойник; 6 — емкость готового продукта; Н-1, Н-2 — насосы
Таблица 2.
Физико-химические свойства продуктов, полученные из карбамида марки
А, хлористого аммония и ВЖК (при соответствии _ВЖК:карбамид:хлористый аммоний=1:1:0,2 и 0,2:3:0,6)_
Показатели Соотношения ВЖК: карбамид: хлористый аммоний
1:1:0,2 0,2:3:0,6
Плотность при 20 °С, кг/м3 1117 1190
Вязкость, сСт, при 20 °С 171,7 22,5
Массовая доля свободного аммиака, % 0,00001 0,00003
Щелочность, мг КОН/г 350 476
Кислотное число, мг КОН/г 5,6 2,5
Эффективность разработанного продукта определялась по ГОСТ 304592003, а также по подвижности цементного теста и температуре растрескивания образца цементного камня толщиной 5 мм, расположенной на рифленой пластине из инвара, коэффициент линейного расширения которого близок к 0. Расплыв конуса исходного цементного теста при В/Ц = 0,32, равен 140 мм.
Как следует из таблицы 2 продукт, полученный при соотношении ВЖК:карбамид:хлористый аммоний=1:1:0.2 обладает воздухововлекающим эффектом и в некоторой степени является пластификатором, а при соотношении компонентов соответственно 0.2:3:0.6 воздухововлекающий эффект ослабевает, а пластифицирующий возрастает.
Таблица 3.
Подвижность цементного теста в зависимость от состава добавки ЖККА
№ п/п Состав добавки Расплыв конуса, мм при содержании добавки, % от массы цемента
ВЖК К А 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
1 1,5 1,0 0,2 40 40 44 50 48 150
2 1,0 1,0 0,2 40 42 46 55 55 159
3 0,7 1,0 0,2 40 51 54 60 63 161
4 0,3 1,0 0,2 40 55 58 64 65 165
5 0,0 1,0 0,2 40 42 64 69 74 174
Оптимальная дозировка добавки ЖККА для дорожных бетонов — 0,008—
0.02.% массы цемента (в расчете на сухое вещество добавки) — в зависимости от свойств пластифицирующих добавок, применяемых в комплексе с ней, характеристики заполнителей, условий приготовления бетонных смесей и типа бетоносмесителя.
Добавка ЖККА является поверхностно-активным веществом и по основному действию на бетонные смеси и бетоны (регулирование пористости) относится к воздухововлекающим и пластифицирующим добавкам. Применение добавки ЖККА в дорожном бетоне обеспечивает создание системы условно-замкнутых пор в его структуре и, тем самым, — необходимой морозостойкости и, кроме того, пластифицирует бетонные смеси и повышает их стойкость против расслоения.
Применение добавки ЖККА расширит номенклатуру воздухововлекающих добавок и снизит стоимость приготовления бетонных смесей, используемых в дорожном и аэродромном строительстве, а так же значительно повысить морозостойкость и трещиностойкость бетонов.
Список литературы:
1. Комарова Н.Д. Управление структурообразованием бетонов с помощью химических добавок (модификаторов):Наука, экология и педагогика в технологическом университете: сб. научн. докл. № 2 научн.- практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов //Минеральные Воды: издательство СКФ БГТУ им. В.Г.Шухова 2006. — С. 97—106.
2. Сахибгареев P.P. Структура и свойства бетона c добавками анионных и неионогенных поверхностно-активных веществ: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л.: Стройиздат, 1989. — 24 с.
3. Сватовская Л.Б. и др. Управление трещиностойкостью тонкослойных композиционных покрытий на цементной основе // Цемент и его применение. — 2005. — № 5. — С. 66—67.
4. Середа О. А. Дорожные цементобетоны на некондиционных заполнителях Северного Кавказа: Автореф. дис. канд. техн. наук. Белгород. БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. — 24 с.
5. Трошкина Е.А. Управление структурой и долговечностью бетона с помощью пластифицирующих добавок // Технологии бетонов. — 2008. — № 2. — С. 66—67.
6. Тейлор X. Химия цемента М.: Мир, 1996. — 560 с.
7. Ушеров-Маршак А.В. Добавки в бетон: прогресс и проблемы // Строительные материалы. — 2006. — № 10. — С. 8—12.
