Получение нового органо-гибридного геополимера и изучение влияния органических добавок

АННОТАЦИЯ

Получен новый органо-гибридный геополимер на основе органических и неорганических добавок при активации алюмосиликатных сырьевых ресурсов. Изучено влияние синтезированных органических добавок на структурообразование и микроструктурные особенности полученного геополимера. Полученные добавки могут уменьшать водопотребность на 8-21 % и при этом прочность геополимера увеличивается. Силы действия синергизма между органическими и неорганическими компонентами очень эффективно работают в процессе геополимеризации. 

ABSTRACT

A new organo-hybrid geopolymer based on organic and inorganic additives with the activation of aluminosilicate raw materials has been obtained. The effect of synthesized organic additives on the structure formation and microstructural features of the obtained geopolymer has been studied. The additives obtained can reduce the water demand by 8-21%, while the strength of the geopolymer increases. The forces of synergy between organic and inorganic components work very effectively in the geopolymerization process.

Ключевые слова: пластифицирующая добавка, геополимер, модификатор, полифункциональная добавка, золошлак, уретан, зола-унос, эфир крахмал, водопотребность.  

Keywords: plasticizing additive, geopolymer, modifier, polyfunctional additive, ash and slag, urethane, fly ash, ether starch, water demand.

Введение

Каждый день растущие запросы к увеличению экологической чистоты и энергоэффективности индустрии строй материалов, а еще ужесточение ее утилизационной роли предназначают напряженность изучений в области сотворения бесцементных вяжущих и материалов на их базе с внедрением отходов топливной индустрии.

Использование модифицирующих добавок в составах строительных растворов и бетонов обладает своей достаточно давней историей. Использование в качестве добавок в известковые бетоны и кладочные растворы растительного масла, крови животных, белка, куриных яиц, молочных продуктов, отваров древесной коры и т.п. позволило сохранить до настоящего времени храмы древних российских городов Владимира и Суздаля, мечети Бухары и Самарканда, знаменитый Карлов мост г. Праги и др. Однако, с появлением гидравлических вяжущих, модифицирующие добавки, применявшиеся мастерами в старину, отошли на второй план и были незаслуженно забыты. И только с начала тридцатых годов XX века применение модифицирующих добавок в бетонах и растворах вновь входит в практику строителей, но уже на новом научно-техническом уровне [1,2]. В большинстве случаев потребовалась разработка специальных функциональных добавок для сухих строительных смесей, отвечающих вышеперечисленным требованиям. Такие разработки являются приоритетным направлением работы для многих зарубежных и отечественных фирм. Добавки для сухих строительных смесей условно могут быть разделены на следующие группы: водоредуцирующие, водоудерживающие, загущающие, редиспергируемые полимерные порошки (РПП), воздухововлекающие, пеногасители, ускорители схватывания, ускорители твердения, замедлители схватывания, гидрофобизаторы, противоусадочные, противоморозные и препятствующие биохимической коррозии [1]. Из многочисленных добавок разного назначения целесообразно выделить 3 группы, которые используются в подавляющем большинстве сухих строительных смесей: водорастворимые модифицированные эфиры целлюлозы, редиспергируемые полимерные порошки (РПП) и суперпластификаторы.

В первый раз водорастворимые эфиры целлюлозы были получены в Германии, в XX веке. Исследования показали, что полимеры обладают великолепной водоудерживающей способностью. Каждая молекула полимера может удерживать до 20 тыс. молекул воды. Фактически вода в растворе заменяется гомогенным желеобразным раствором метилцеллюлозы, в котором взвешены частички вяжущего и заполнителя, в результате чего, чем выше водоудерживающая способность такой системы, тем более полно происходит реакция вяжущего с водой, что позволяет раствору набирать необходимую прочность даже при тонкослойном нанесении. После окончания процесса гидратации и твердения в растворе метилцеллюлоза в виде тончайшей пленки остается в порах образовавшегося искусственного камня и никак не влияет на прочностные и механические характеристики материала [3].

Результатами исследования [4] доказано, что добавление полученного суперпластификатора снижает количество расхода воды и улучшает прочностные показатели геополимера. Показано воздействие суперпластификатора и кремнийсодержащего диуретана на протекание реакции геополимеризации способом СЭМ.

При испытании были синтезированы органические добавки на основе формальдегида. Эти добавки добавляются в состав активатора для увеличения водоустойчивости и прочности геополимера.

При приготовлении сухой части геополимерной смеси добавляются полифункциональная добавка на уретановой основе (ПДУ) в количестве 0,02% и эфир крахмала (ЭК) в количестве 0,06%. Добавление в систему, полученного геополимера, добавок из органических и неорганических веществ даёт эффект синергизма. В процессе геополимеризации органические и неорганические ингредиенты связываются  водородными связями. У геополимера, полученного с добавками на основе формальдегида, повышается водостойкость, водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства. Эфир крахмал даёт загущающий эффект при приготовлении геополимерной смеси, а многофункциональная уретановая добавка препятствует образованию микро трещин полученного образца. 

При исследовании воздействия органических добавок на физико-механические качества геополимера, весомую роль играет численность добавленных добавок. Основная функция этих добавок, при получении геополимера, - уменьшить количество микропор, и при этом получить прочную структуру бетона. Эти добавки добавляются от массы активатора геополимера. С добавлением синтезированной добавки увеличивается адгезия геополимерного теста.

Эти свойства повышают совместимость вяжущего с инертными наполнителями. В большинстве случаев, повышение совместимости геополимера с инертными наполнителями приводит к повышению прочности геополимера.

Для синтеза органического модификатора используется  полиакриламид - 2 % водный раствор, формальдегид - 25% водный раствор и жидкое стекло с силикатным модулем 3.3. При получении модификатора в первую очередь, при добавлении формальдегида, на полиакриламиде получаются метилольные групы. После получения метилольных групп, добавляется жидкое стекло. Таким образом получается модификатор в виде вязкой светло коричневой массы. Полученный органический модификатор добавляется при получении геополимера. Изучено влияние полученного модификатора на свойства геополимера. Из табл. 1 видно, что при добавлении добавок на основе формальдегида и полиакриламида в геополимер, улучшается прочность последнего. Добавление органических добавок обусловливает положительное влияние его на структурообразование геополимера. Показатель плотности показывает, что улучшается удобоукладываемость композиции с добавлением органических добавок на основе формальдегида и полиакриламида.

Таблица 1.

Результаты испытаний геополимера с синтезированными органическими добавками

Добавки, которые получаются на основе формальдегида, в своей структуре содержат функциональные группы. Эти функциональные группы улучшают растворимость формальдегида в воде. Также эти добавки своими водородными связями связывают молекулы алюмосиликата с инертным наполнителем. Доказано, что полученные таким образом добавки относятся к классу пластифицирующих добавок по ГОСТ 10121-2001. Прочность геополимера увеличивается, при этом применение полученных добавок может уменьшить водопотребность на 8-21 %. На сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) было определено  воздействие синтезированных добавок на микроструктурные особенности и на структурообразование геополимеров. Фотография полученного геополимерного бетона без добавок представлена на рисунке 1. Концентрация щелочного активатора уменьшается в системе геополимерной матрицы, при добавлении большого количества воды, и адгезия геополимера также снижается. Не происходит при этом активация алюмосиликатных компонентов. Прочностные показатели геополимерного бетона существенно снижаются, когда случается большой расход количества воды и при содержании низкой концентрации активатора. Если реакция протекает не до конца и не образуется необходимая сложная алюмосиликатная структура, то это приводит к недостатку прочностных характеристик геополимерного бетона.

Методом СЭМ были получены результаты изучения полученного геополимера, к которому добавили добавки на основе формальдегида и полиакриламида. Результаты данного исследования представлены на рисунке 2. Для достижения густоты геополимерной композиции, в геополимерный бетон с органическими добавками добавляется приблизительно в 1,7 раза меньше воды, чем  в геополимерный бетон без добавок.  За счет увеличения его концентрации и совместимости геополимерного вяжущего повышается активирующая способность активатора в композиции. При добавлении добавки на основе формальдегида и полиакриламида, увеличивается адгезия вяжущего. Совместимость вяжущего, между инертными наполнителями, которая в геополимерной композиции обеспечивается с помощью органических добавок на основе формальдегида,  при этом повышается

Рассматривая полученные микрофотоснимки, можно сказать, что достаточно высокую прочность, в конечном итоге, дают рассматриваемые фазы структурообразующих компонентов матрицы.

К повышению прочности приводит большое образование геополимерного продукта и более компактной микроструктуры, котороая усиливается благодаря повышенной реакционной способности между реакцией геополимеризации летучей золы и активатора. В процессе реакции геополимеризации очень эффективно работают силы действия синергизма между органическими и неорганическими компонентами.

Полученный геополимер обладает прочностными  характеристиками в результате образования прочной камнеподобной структуры. Данная структура алюмосиликатная образуется в конце реакции геополимеризации. Благодаря прочностным свойствам, области применения геополимеров могут быть намного  расширины. На основе полученных результатов создан оптимальный рецепт для получения органо-гибридных геополимеров.

В таблице 2 показаны состав и свойства геополимерных бетонов при добавлении активаторов на основе органических добавок. Прочность при сжатии и изгибе, при использовании активаторов без органических добавок,  составляет 23,7 и 3,7, а при использовании активатора с органическими добавками прочность при сжатии и изгибе  увеличивается и составляет 41,5 и 6,53 соответственно.

Таблица 2.

Состав и свойства геополимерных бетонов 

*Активатор на основе раствора силиката натрия и гидроксида натрия.

Результаты исследования, предоставленные в данной работе, позволяют сделать следующие выводы:

Получен новый органо-гибридный геополимер на основе органических и неорганических добавок при активации алюмосиликатных сырьевых ресурсов. Изучено влияние синтезированных органических добавок при добавлении их в активатор и полифункциональных уретановых добавок и эфира крахмального, при добавлении их в малом количестве в измельчённый зола-шлак, и влияние их на структурообразование и микроструктурные особенности полученного геополимера. Полученные добавки могут уменьшать водопотребность на 8-21 % и при этом прочность геополимера увеличивается. Силы действия синергизма между органическими и неорганическими компонентами очень эффективно работают в процессе геополимеризации. На основе полученных результатов создан оптимальный рецепт для получения органо-гибридных геополимеров.

Список литературы:

1. Корнеев В. И., Зозуля П. В. «Что» есть «что» в сухих строительных смесях. СПб: НП «СПССС», 2004 г.
2. Модифицирующие добавки для сухих строительных смесей: [электронный ресурс]https://prodselmash.ru
3. Евстигнеева Ю.А. История развития сухих строительных смесей: [электронный ресурс]http://tdtova.ru.
4. Изучение влияния синтезированных пластифицирующих добавок на свойства геополимеров // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Соттикулов Э.С. [и др.]. 2019. № 7 (64). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/7605 (дата обращения: 26.11.2020).