CC BY
18УДК 666.972.16
В.С. Поляков, В.А. Падохин, М.В. Акулова*, С.А. Сырбу
УЛУЧШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ НА ОСНОВЕ ОЛИГОМЕРОВ s-КАПРОЛАКТАМА
(Ивановский государственный химико-технологический университет, *Ивановский государственный архитектурно-строительный университет)
e-mail: polyakov@isuct.ru
В статье сообщается о влиянии химических добавок на основе олигомеров е-капролактама, которые увеличивают прочностные свойства бетонных смесей. Полученные составы обладают конкурентной способностью.
Ключевые слова: олигомеры s-капролактама, бетонные смеси, прочностные свойства, пластифицирующие добавки, декстрин, лигносульфонаты, хлорид кальция, эпоксидная смола
Современное строительное производство характеризуется расширением ассортимента применяемых химических добавок в бетонные, растворные и асфальтобетонные смеси.
Добавки являются универсальными средствами управления технологическими параметрами в производстве строительных материалов.
Общие требования и классификация добавок для бетонов регламентируются ГОСТ 24211 - 91.
В строительной индустрии в качестве пластификаторов и модификаторов бетонных и асфальтобетонных смесей достаточно широко используются отходы масложировых, химических, нефтеперерабатывающих предприятий. Известной пластифицирующей добавкой является подмыль-ный щелок производства растительных масел (ТУ 18 780 78). Его использование увеличивает воздухововлечение, повышает морозостойкость, уменьшает влагопроницаемость и коррозию бетонов [1].
Для пластификации бетонных смесей традиционно используются щелочной сток производства капролактама (ТУ 113 03 488 84) и щелочной сток модифицированный (ТУ 111 03 108 84) [2].
Известными пластификаторами строительных смесей являются лигносульфонаты технические (ОСТ 13 183 83) и сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) [3]. Однако применение названных отходов ограничивается транспортными издержками при их доставке до потребителей, ограниченным сроком и условиями хранения.
Гидрофилизирующие добавки (ЩСПК, ПАЩ-1, СДБ и др.) улучшают диспергирование коллоидной системы цементного теста и повышают его текучесть. Использование этих добавок позволяет при неизменном расходе цемента уменьшить водоцементное отношение на 10 -12%, повысить прочность бетона, его морозостойкость и водонепроницаемость [1]. Некоторые гидрофи-
лизирующие добавки, например СДБ, замедляют твердение бетона в раннем возрасте, поэтому при производстве сборного железобетона дополнительно используют ускорители твердения [2].
В качестве гидрофобизирующих добавок используют смолу нейтрализованную воздуховов-лекающую (СНВ), натриевую соль абиетиновой кислоты (продукт омыления щелочью канифоли), омыленный древесный пек (препарат ЦНИИПС-1), синтетическую поверхностно-активную добавку (СПД), кремнийорганические жидкости ГКЖ-11 (метилсиликонат натрия), ГКЖ-10 (этилсиликонат натрия), ГКЖ-94 (этилгидросилоксановая жидкость) [1,2].
Однако применение названных выше добавок ограничивается транспортными издержками при их доставке до потребителей, ограниченными сроками хранения или высокой ценой ( СНВ, ГКЖ - 11, ГКЖ - 94).
Наиболее востребованными в строительной промышленности являются многофункциональные добавки для бетонов, которые обладают пластифицирующими и другими свойствами (ускоряющими твердение, повышающими прочность на сжатие и изгиб, водоредуцирующими, воздухо-вовлекающими и др.)
Это достигается применением многокомпонентных концентрированных добавок, которые позволяют оптимизировать процессы перемешивания, формования и твердения бетонных смесей и обеспечить высокие прочностные свойства бетонов.
Целью настоящей работы явилось создание многофункциональных добавок в тяжелые бетонные смеси на основе продуктов олигомери-зации 8-капролактама многоатомными спиртами в смеси с триглицеридами растительных масел с добавками синтетических и природных веществ.
На основе продуктов олигомеризации е-капролактама были приготовлены экспериментальные добавки 1 - 8, испытания которых проводили на базе лаборатории железобетонного производства № 5 ОАО «Ивановская ДСК» г. Иваново.
Для определения действия пластификаторов на основе олигомеров готовили контрольную бетонную смесь В 22,5 (М 300) следующего состава (в расчете для 3 образцов кубов 100х100х100мм):
- цемент 1050 г;
- песок с модулем крупности Мкр = 2,0 -2,52800 г;
- щебень фракции Фр =5,0 - 20мм 3800 г;
- вода310 г;
-пластификатор 4,2 г.
Всего для исследования влияния экспериментальных добавок на прочность бетона при сжатии были изготовлены кубы бетона 100х100х100мм в количестве 6 шт в партии (ГОСТ 18105-86) для испытаний на 1, 3, 7, 28 сутки.
Для приготовления бетонной смеси использовали цемент марки ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2003 производства ОАО «Мордов-цемент». Нормируемый показатель по прочности на сжатие образцов кубов бетона В22,5 без добавок согласно ГОСТ 26633-91 составляет 30 МПа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В экспериментах олигомеризацию е-капролактама глицерином проводили в автоклаве при температуре 260 - 265°С. Полученные олиго-мерные продукты в зависимости от времени синтеза представляют собой мазеобразные или густые маслообразные вещества. Способ олигомери-зации е-капролактама отличается от указанного авторами [5] тем, что для повышения степени гомогенности продуктов олигомеризации, исходную реакционную смесь гомогенизировали роторно-импульсным гомогенизатором. Скорость вращения ротора 3000 об/мин. Время гомогенизации 15
- 20 мин. После окончания синтеза смесь охлаждали до 80° С и вновь гомогенизировали в течение 20-25 мин. Затем полученную композицию охлаждали до 45 -50° С и фасовали в банки (ПВХ или ПЭТ) объемом 200 см3 .
В качестве компонентов пластифицирующих добавок на основе олигомеров е-капролактама использовали эпоксидную смолу ЭД-20, лигносульфонаты технические (ЛСТ), поливиниловый спирт (ПВС), декстрин, хлорид кальция (СаС12).
Для эксперимента использовали добавки 1
- 8 следующего состава:
1 - олигомеры е-КЛ + ЭД-20 (1:0,1);
2 - олигомеры е-КЛ +ЛСТ (1:0,5);
3 - олигомеры е-КЛ +ЛСТ+ПВС (1:0,5:0,2);
4 - олигомеры е-КЛ +ЛСТ +декстрин (1:0,4:0,1);
5 - олигомеры е-КЛ;
6 - олигомеры е-КЛ +ЛСТ + СаС12 (1:0,5:0,5);
7 - олигомеры е-КЛ + ЛСТ + СаС12 + ПВС (1:0,5:0,5:0,1);
8 - олигомеры е-КЛ + ЛСТ + СаС12 + ЭД-20 (1:0,4:0,4:0,05).
Испытания экспериментальных добавок проводились согласно
ГОСТ 242111-2008, ГОСТ 30459-2008. Изменение прочности образцов бетона на сжатие на 1,3,7,28 сутки показано в табл. 1.
Таблица 1
Прочность образцов бетона с добавками 1 - 8
Table 1. Samples strenght of concrete with additives 1 - 8
№ п.п Наименование Прочность образцов при сжатии, МПа
1сут 3сут 7сут 28сут
1 Без добавки 9,8 12,6 18,4 30,0
2 Добавка 1 10,2 13,7 18,2 39,0
3 Добавка 2 19,3 23,0 26,3 38,3
4 Добавка 3 15,6 18,8 20,1 35,1
5 Добавка 4 11,7 15,1 18,9 34,3
6 Добавка 5 11,0 13,2 17,3 32,6
7 Добавка 6 17,1 24,6 28,4 44,8
8 Добавка 7 17,3 25,1 27,5 42,2
9 Добавка 8 20,3 27,2 36,8 52,4
Количество вводимых в бетонную смесь пластифицирующих добавок - 0,4% (безводный концентрат) от массы цемента в исходной смеси.
Наибольший интерес для практического использования имеют пластифицирующие добавки на основе олигомеров е-капролактама, содержащие лигносульфонаты технические и хлорид кальция в комбинации с полимерными веществами [2]. Результаты проведенных исследований подтвердили эффективность пластифицирующего действия этих добавок во время приготовления бетонной смеси и улучшения качества формования железобетонных изделий.
Образцы кубов бетона с добавками 1 - 8 после виброуплотнения были помещены в пропарочную камеру. Термовлажностная обработка производилась по следующему режиму: 1) подъем температуры (85±5°С) - 180 мин., 2) изотермический нагрев (85±5°С) - 180 мин., 3) остывание образцов при отключении подогрева - 120 мин. Через 24 часа с момента изготовления образцы бетона расформовали и испытали на прочность при сжатии в соответствии с ГОСТ 18105-86. Среднее
квадратическое отклонение показателей прочности при сжатии для образцов бетона составили : 2,75% (без добавки); 2,64% (1); 2,83% (2); 2,91% (3); 2,78% (4); 2,47% (5); 3,08% (6); 2,96% (7); 2,72% (8). Коэффициенты вариации соответственно: 0,091%; 0,067%; 0,074%; 0,083% 0,081%; 0,076%; 0,069%; 0,07; 0,052%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные данные исследований добавок на основе олигомеров е-капролактама позволяют утверждать, что в зависимости от состава их свойства проявляются следующим образом:
1 - по сравнению с добавками 2 - 4 медленнее набирает требуемую прочность на 7 сутки твердения, но быстро набирает прочность в период от 7 до 28 суток, которая достигает 39 МПа;
2 - набирает прочность на 1 - 7 сутки быстрее, чем образцы 1,3,4, которая на 28 сутки составляет 36,4 МПа;
5 - прочность на 28 сутки составляет 32,6 МПа, что выше прочности образца без добавок на 8,6%;
6,7,8 - набирают прочность быстрее образцов 1-5; повышение их прочности по сравнению с образцом без добавок составляет 49,33%; 40,67%; 74,67%.
Распалубка всех заформованных образцов проходит легко, дефектов поверхности и масляных пятен на изготовленных образцах кубов нет.
Изменение физико-механических свойств образцов бетона и сроков схватывания бетонной смеси с экспериментальными добавками показаны в таблице.
Таблица 2
Эффективность пластифицирующих добавок
№ п.п Наименование добавки Нормальная густота цементной пасты,% ГОСТ 310.3 Количество добавки, % масс. Водо-цементное отношение (В/Ц) Срок схватыва-ния,мин ГОСТ 310.3 Предел прочности, МПа ГОСТ 1080
начало оконч. сжатие изгиб
1 Без добавок 27,4 - 0,31 175 250 30,0 5,14
2 Добавка 1 26,8 0,40 0,30 260 355 39,0 6,82
3 Добавка 2 26,2 0,41 0,29 280 370 38,3 5,64
4 Добавка 3 26,8 0,41 0,29 245 325 35,1 5,91
5 Добавка 4 26,4 0,40 0,29 295 390 34,3 5,38
6 Добавка 5 26,0 0,40 0,28 315 440 32,6 5,52
7 Добавка 6 26,7 0,41 0,29 250 315 44,8 6,17
8 Добавка 7 26,6 0,40 0,29 255 342 42,2 6,44
9 Добавка 8 27, 0 0,41 0,30 258 338 52,4 8,48
Как видно из табл. 2, все экспериментальные добавки увеличивают время начала схватывания бетонной смеси и действуют как замедлители твердения и пластификаторы.
Добавки 1 - 8 повышают прочность на сжатие от 8,6% (доб.5) до 74,6% (доб.8) по сравнению с образцом без добавок. Максимальное увеличение прочности на сжатие и изгиб обеспечивают добавки, содержащие олигомеры е-капролактама и эпоксидную смолу ЭД-20 (доб. 1) с хлоридом кальция (доб.6,7,8). Увеличение прочности образцов бетона на изгиб составляет от 7,4% (доб.5) до 74,9% (доб.8). Таким образом, композиции добавок на основе олигомеров е-капролактама в сочетании с эпоксидной смолой, хлоридом кальция, поливиниловым спиртом и декстрином позволяют пластифицировать тяжелые бетонные смеси и повышать прочностные свойства бетона на сжатие и изгиб.
Добавки 1 - 8 увеличивают сроки начала схватывания (табл.) и действуют как эффективные
замедлители схватывания, что способствует облегчению формования железобетонных изделий сложной геометрической конфигурации и густо-армированных изделий.
На основании исследования смачивающих и эмульгирующих свойств полученных продуктов олигомеризации е-капролактама выявлено, что они обладают гидрофильно-гидрофобными свойствами, являются эмульгаторами эмульсий «масло-вода» и «вода-масло». В зависимости от средней молекулярной массы (6800 - 7200), которую определяли по методике [3], угол смачивания 5% водных эмульсий полученных олигомеров варьируется от 20° до 83°. Измерение угла смачивания проводили в соответствии с ГОСТ 7934.2.
Проведенные испытания показали, что созданные пластифицирующие добавки экологически безопасны и нетоксичны, не изменяют свойств в течение 5 лет при хранении от - 25°С до + 45°С. Использование отечественного сырья для получения добавок на основе олигомеров е-капро-
лактамарешает проблему импортозамещения аналогичных по действию химических веществ, применяемых в строительной, а также в машиностроительной, металлургической, химической промышленностях.
ВЫВОДЫ
Экспериментальные пластифицирующие композиции на основе продуктов олигомеризации е-капролактама глицерином являются самостоятельными пластификаторами и замедлителями сроков схватывания, что очень важно при транспортировке бетонных смесей на удаленные объекты строительства, особенно в весенне-летний период;
Испытуемые добавки 1 - 8 на втором этапе формирования цементного камня ускоряют его твердение и повышают прочность образцов на сжатие и изгиб, т.е являются многофункциональными;
Добавки поливинилового спирта и декстрина в сочетании с лигносульфонатами позволяют оптимизировать процесс начала и окончания твердения бетонной смеси и усиливают поверхностно-активные свойства олигомеров е-капролак-
Кафедра машин и аппаратов химических производств
тама, прежде всего смачиваемость и диспергируе-мость зерен цемента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баженов Ю.М. Технология бетона.М.: Стройиздат. 1987. 415 с.;
Bazhenov Yu.M. Concete technology. M.: Stroiyizdat. 1987. 415 p. (in Russian).
2. Справочник по химии цемента. / Под ред. В.В. Волконского, Л.Г. Судакса.Л.:Стройиздат. 1980. 224 с.; Handbook on concrete chemistry. / Ed. by V.Volkonskiy, L.G. Sudaks. L.: Stroiyizdat. 1980. 224 p. (in Russian).
3. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. Ч.1. М.: Мир. 1983. 384 с.;
Rabek J. Experimental methods in the chemistry of poli-mers. Part. I. M.: Mir. 1983. 384 p. (in Russian).
4. Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. М.: Наука. 1978. 368 с.;
Rebinder P.A. Selected works. Surface phenomena in disperse systems. Colloid chemistry. M.: Nauka. 1978. 368 p. (in Russian).
5. Хитрин С.В., Токарев А.А., Шехерева Е.Я., Вихлян-цева А.А. // Изв.вузов. Химия и хим. технология. 2009. T. 52. Вып. 5. С. 78 - 82;
Khitrin S.V., Tokarev A.A., Shekhereva E.Y., Vikh-lyantseva A.A. // Izv.Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim.Teknol. 2009. V. 52. N 5. P. 78-82 (in Russian).
