ИЗУЧЕНИЕ СИНТЕЗА КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ ДЛЯ БЕТОНА НА ОСНОВЕ ГИДРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА

АННОТАЦИЯ

В статье изучено влияние температуры при синтезе комплексной добавки, содержащей функциональные группы - SO₃H, -NH₂, -СООН, -ОН на основе гидролизованного полиакрилонитрила, сульфита натрия и формалина при разных соотношениях. Определено оптимальное соотношение исходных реагентов при получении комплексной химической добавки, наилучшим оказалось соотношение 2:1:2. Определена и оптимальная температура реакции, которая составляет 90 °С. Определено  оптимальное время реакции, оно составляет 40 минут. Выход продукта при таких условиях реакции составляет 96%.

ABSTRACT

The article studies the influence of temperature during the synthesis of a complex additive containing functional groups - SO₃H, -NH₂, -COOH, -OH based on hydrolyzed polyacrylonitrile, sodium sulfite and formalin in different ratios. The optimal ratio of the initial reagents in the preparation of a complex chemical additive is determined, it is 2:1:2, and the optimal temperature is also determined, which is 90 °C. The influence of the reaction time is indicated, the optimal reaction time is 40 minutes and the reaction yield is 96%.

Ключевые слова: пластификатор, комплексная добавка, геополимер, бетон, полиакрилонитрил, формалин, натрий сульфит, золошлак, температура, время реакции.

Keywords: plasticizer, complex additive, geopolymer, concrete, polyacrylonitrile, formalin, sodium sulfite, ash and slag, temperature, reaction time.

Введение

Сокращение энергоресурсов в мире требует резкого повышения энергоэффективности при строительстве зданий и сооружений. Энергодефицит в ХХ веке показал необходимость создания и внедрения ресурсо- и энергоэффективных технологий в строительной отрасли, производстве строительных материалов и изделий. В связи с этим в области строительных материалов одной из важных задач является эффективное применение энергосберегающих технологий, совершенствование новых строительных материалов и их существующей технологии, использование химических и минеральных добавок для получения новых видов бетонных изделий и улучшения их качества, эксплуатационные свойства; всё это интенсифицирует гидратацию цемента и обеспечивает достижение высокой прочности бетона.

Использование комплексных добавок при производстве бетонных смесей значительно улучшает качество бетона. Таким путем можно добиться универсальности добавок при производстве бетонных смесей и составов из цементов разных марок [1].

Комплексные добавки очень удобны тем, что нет необходимости использовать несколько химический компонентов для получения бетона с нужными свойствами.

Обычно используемые сульфат натрия, нитрит натрия или кальция, в составе пластификатора, устраняют замедление процесса твердения, вызываемое ПАВ (поверхно-активное вешество) в комплексных добавках. За счет образования этих дигидратных солей в процессе кристаллизации и последующего гидролиза высокодисперсными гидросиликатами кальция создается более плотная структура цементного камня. ПАВ, снижающие водопотребность пенобетонной смеси; положительно влияет на образование кристаллов в присутствии нитратных и сульфатных солей. Эти добавки позволяют создать в цементном камне плотную и малопроницаемую закрытопористую структуру [2]. Применение данной группы комплексных добавок позволяет сократить расход цемента до 12 %, продолжительность тепловой обработки на 15-40 % [3]. Однако эти комплексные добавки мало влияют на морозостойкость и гидроизоляционные свойства бетона.

Из  литературных источников известно влияние суперпластификатора Sikaplast 2135 на реологические свойства гипсоцементных паст [4]. Установлено, что добавление суперпластификатора до 0,1% от массы вяжущего, незначительно снижает предел текучести и пластическую вязкость, при одновременном сохранении свойств нелинейного вязко-пластичного теста. При необходимости явного увеличения вязкопластичных свойств, следует увеличить количество добавки до 0,3–0,5%, что приводит к снижению текучести почти до нуля.

Полученный пластификатор для бетона на основе нафталинсульфокислотных формальдегидов, ухудшает прочность цементного камня с увеличением количества добавки. Поэтому изучение физикомеханических свойств цементных композиций с добавлением полученного суперпластификатора, играет важную роль при внедрении их в бетонную промышленность. Полученный суперпластификатор может уменьшить водопотребность на 15-20% и при этом не уменьшает прочности цементного камня, а наоборот, этот показатель, как видно из экспериментов, улучшает его качество [5].

Некоторые комплексные добавки в основном предполагают использование комплексных электролитов, в том числе нитритных и нитратных солей, защищающих стальную арматуру от коррозии [6, 7]. Использование этих добавок при производстве железобетона приводит к снижению расхода цемента на 10 % или сокращению времени термообработки на 20-30 % [8].

Пластификаторы, содержащиеся в комплексных модификаторах, в основном предназначены для повышения подвижности или снижения вязкости и разжижения пенобетонной смеси. Эффект разбавления служит для повышения прочности пенобетона за счет снижения водопотребности или расхода цемента при сохранении исходной подвижности бетонной смеси [9].

Большинство добавок для бетона, производимых за рубежом, обладают комплексным действием. Однако добавки, успешно применяемые для бетона за рубежом, не всегда эффективны в наших условиях, потому что зарубежные добавки рассчитаны на очень качественный цемент и наполнители.

Экспериментальная часть. В наших исследованиях была синтезирована специальная химическая добавка для бетона на основе местного сырья. Добавки, не содержащие ароматических углеводородов, в большинстве случаев обладают относительно низкими пластифицирующими свойствами. Поэтому при синтезе такой добавки использовали гидролизованный полиакрилонитрил, сульфит натрия и формалин, содержащие - SO₃H, -NH₂, -СООН, -ОН и другие функциональные группы. Функциональные группы в добавке важны, они делают добавку водорастворимой и усиливают ее взаимодействие с поверхностью при адсорбции.

Данная  химическая добавка используется в производстве бетонных смесей, а также в производстве геополимеров на основе золошлаковых отходов. Химические добавки снижают расход воды при производстве за счет пластифицирующих свойств, в результате чего после полного высыхания изделия вода, выходящая из изделия, не создает лишних пустот. При синтезе пластифицирующих химических добавок большое значение имеет температура реакции. Поэтому было изучено влияние температуры при синтеза комплексной добавки при разных соотношениях используемых компонентов: полиакрилонитрил:сульфит натрия:формалин. На рис. 1 ниже показана температурная зависимость реакции образования комплексной добавки.

Рисунок 1. Зависимость выхода реакции от температуры при соотношении полиакрилонитрил: сульфит натрия: формалин, а-1:1:1; б-2:1:2; в-1:2:1; г-2:1:1

Молярное соотношение гидролизованного полиакрилонитрила, сульфита натрия и формалина составило соответственно: а-1:1:1; б-2:1:2; в-1:2:1; г-2:1:1. Как видно из рисунка 1, наибольший выход реакции достигается при соотношении исходных продуктов 1:1:1 (рис-1. кривая а), но в данном случае эффективность пластифицируюших свойств образующихся комплексных добавок низкая. Поэтому, после определенных испытаний, оптимальное соотношение исходных реагентов при получении комплексной химической добавки определилось 2:1:2 (рис-1. кривая б), а оптимальная температура реакции составляет 90 °С. При  этих условиях выход реакции синтеза комплексной добавки составляет 96%. Исходя из этого, оптимальной температурой синтеза данной комплексной добавки была выбрана температура 90 °С.

В ходе реакции продолжительность времени реакции также считается одним из важных показателей процессов синтеза. На рис. 2 представлена зависимость выхода реакции от времени реакции при температуре 90°С.

Рисунок 2. Зависимость выхода реакции от времени реакции, (полиакрилонитрил:сульфит натрия:формалин а-1:1:1; б-2:1:2; в-1:2:1; г-2:1:1)

Как видно из рисунка 2, время реакции очень важно для процесса синтеза, и определение оптимальной температуры имеет решающее значение. Реакцию проводили при различных соотношениях исходных реагентов (полиакрилонитрил:сульфит натрия:формалин: а-1:1:1; б-2:1:2; в-1:2:1; г-2:1:1). После начала реакции выход реакции увеличивался пропорционально увеличению времени реакции до 40 мин. При каждом выбранном соотношении выход реакции увеличивается, а продолжительность реакции имеет почти одинаковый эффект для каждого соотношения. Увеличение времени реакции свыше 40 минут не оказало положительного влияния на выход реакции. Исходя из этого, время реакции составляет 40 минут, а выход реакции при этом составляет 96%. Если время реакции превышает 40 минут, качество продукта реакции ухудшается. Это связано с усилением параллельных реакций (например, сшивки, фрагментации, межмолекулярного взаимодействия и др.), что приводит к снижению основных свойств добавки, то есть эффективности пластификации.

Вывод. Таким образом, при получении комплексной добавки на основе полиакрилонитрила : сульфита натрия : формалина, были определены оптимальные условия её получения:  соотношение количества исходных реагентов 2:1:2, температура реакции 90 °С, время реакции 40 минут, при соблюдении данных условий выход реакции составляет 96%. Продукт реакции, полученный при этих условиях, обладает очень хорошими пластифицирующими свойствами при производстве геополимерных и бетонных изделий.

Список литературы:

1. Саввина Ю.А., Высокопрочные бетоны с добавками суперпластификаторов [Текст] / Ю.А. Саввина, Ю.В. Щербак // Исследование и применение бетонов с суперпластификаторами.-М: НИИЖБ, 1982 г. С.28-32.
2. Чернышов Ю.П., Опыт производства и применения в технологии бетона суперпластификатора "Дофен" [Текст] / Ю.П. Чернышов, Л.А. Козлова, В.П. Рейниш// Химические добавки для бетонов - М: НИИЖБ, 1987 г.-С.47-54.
3. СП 311.1325800.2017 Бетонные и железобетонные конструкции из высокопрочных бетонов. Правила проектирования. – М.: Стандартинформ, 2018. – 16 с.
4. Дребезгова М. Ю. Влияние суперпластификатора sikaplast 2135 на реологические свойства гипсоцементных паст / М. Ю. Дребезгова, Н. В. Чернышева, А. С. Евсюкова, Д. Н. Кладиева // Фундаментальные основы строительного материаловедения. – 2017. – С. 211–217
5. Исмоилов Ф.С., Каримов М.У., Джалилов А.Т. Влияние синтезированного суперпластификатора на основе отходов пиролизного процесса на физико-механические свойства цементного камня // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 11(104). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14560
6. Каримов М.У., Джалилов А.Т., Самигов Н.А. Изучение ИК спектров и влияние на свойства цементных систем пластифицирующих добавок на основе ацетоноформальдегидной смолы//Узбекский химический журнал–Ташкент. 2015 г.-№4.–С. 41-46.
7. Каримов М.У., Джалилов А.Т., Самигов Н.А. Изучение и сравнение влияния Na-поликарбоксилатов на физико-механические свойства цементных систем//Universum: Химия и биология: электрон.научн. журн. 2014г. № 1 (2).
8. Каримов М. У., Джалилов А.Т. Изучение свойств цементного камня при добавлении полученных пластифицирующих добавок// Узбекский химический журнал–Ташкент. 2014 г.–№1.–С. 64-67.
9. Каримов М. У., Джалилов А.Т., Самигов Н.А. «Изучение влияния сополимеров Na-метакриловой кислоты и изобутилового эфира метакриловой кислоты на физико-механические свойства цементных систем» «Новые полимерные композиционные материалы» Материалы X международной научно-практической конференции. Нальчик 2014. 122-125 с.