ИЗУЧЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУПЕРАБСОРБЕНТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЕГКИХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

Данная научная статья посвящена изучению возможности использования суперабсорбентов в производстве легких заполнителей с повышенной пористостью и морозостойкостью. В работе проведен анализ микроструктуры образцов, полученных с использованием суперабсорбентов, а также определены оптимальные концентрации и составы для достижения максимальной пористости. Результаты исследования показали, что добавление СА в цементный камень значительно повышает его пористость и морозостойкость, что делает его перспективным материалом для строительной индустрии.

ABSTRACT

This scientific article is dedicated to exploring the possibility of using superabsorbents in the production of lightweight fillers with increased porosity and frost resistance. The microstructure analysis of samples obtained using superabsorbents was carried out, and optimal concentrations and compositions were determined to achieve maximum porosity. The research results have shown that adding superabsorbents to cement significantly increases its porosity and frost resistance, making it a promising material for the construction industry.

Ключевые слова: суперабсорбент, гидрогель, легкий заполнитель, легкий бетон, морозостойкость, влагоудержание, портландцемент.

Keywords: superabsorbent, hydrogel, lightweight filler, lightweight concrete, frost resistance, moisture retention, Portlandcement.

Легкий бетон - материал, который широко применяется в строительстве благодаря способности создавать несущие конструкции с меньшей массой, чем обычный бетон. Это делает легкий бетон идеальным выбором для строительства высотных зданий, мостов и других сооружений, где вес конструкций играет важную роль. Один из способов производства легкого бетона - использование легких заполнителей.

Существует большое разнообразие материалов, которые могут быть использованы в качестве легких заполнителей для бетона. Один из самых распространенных - это полистирол. Этот легкий и прочный материал обладает низкой теплопроводностью. Кроме того, существуют и другие популярные заполнители, такие как перлит, вермикулит, пеностекло и диатомит, которые обладают высокой теплоизоляционной способностью и устойчивы к влаге[1].

Перлит - это натуральный вулканический минерал, который получают путем нагревания при высокой температуре. Он имеет низкую плотность и хорошую теплоизоляционную способность.

Керамзит - это материал, который производят из обожженной глины. Он обладает хорошей прочностью и легкостью, и также может использоваться в качестве дренажного материала и для наполнения полостей в строительных конструкциях.

Вермикулит - это натуральный минерал, получаемый путем нагревания слюды. Этот материал обладает низкой плотностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.

Пеностекло - это материал, получаемый путем нагревания стекла с добавлением веществ, способных вызывать пенение. Он имеет низкую плотность и хорошие звукоизоляционные и теплоизоляционные свойства, и также может использоваться в качестве изоляционного материала.

Диатомит - это натуральный минерал, состоящий из скелетов микроскопических водорослей. Он обладает низкой плотностью и хорошими теплоизоляционными свойствами. Диатомит широко используется в качестве легкого заполнителя, а также в качестве изоляционного материала.

В данной статье мы рассмотрим новый способ получения легкого заполнителя на основе цементного вяжущего, песка и суперабсорбента.

Суперабсорбенты (СА) – это высокомолекулярные соединения, обладающие способностью поглощать и удерживать большие объемы жидкости, превышающие их массу в несколько раз. СА широко используются в промышленности и медицине, например, для создания гигроскопических материалов, средств гигиены, средств для удержания жидкости и т.д[2].

В последнее время все большую популярность СА получают в строительстве благодаря их способности улучшать свойства бетона. Небольшое количество СА в составе бетона позволяет уменьшить количество пористой структуры, что приводит к повышению прочности бетона и уменьшению его массы. Кроме того, СА сохраняют качество бетона при транспортировке и уменьшают количество трещин при затвердевании[3].

Суперабсорбенты могут быть различных типов, в зависимости от их химического состава и свойств. Например, СА на основе полиакрилата обладают высокой гигроскопичностью и могут поглощать воду в количестве, превышающем их массу в 500 раз. СА на основе карбоксиметилцеллюлозы, в свою очередь, могут поглощать и удерживать воду, а также другие жидкости, включая масла, краски и растворители[4].

Учитывая их способность абсорбировать жидкости, суперабсорбенты могут быть использованы для получения легких заполнителей. Для проверки данной гипотезы, мы провели ряд исследований и разработали простую схему получения легких заполнителей на основе СА, которая заключается в смешивании суперабсорбентов с цементом и водой, а затем соединении этой смеси с сухим песком. После высыхания полученного композитного материала образуются легкие заполнители с высокой степенью пористости.

Одним из ключевых этапов исследования было определение оптимального количества суперабсорбента (СА) и воды в составе легкого заполнителя. Для этого был проведен ряд экспериментов, в которых изменялась концентрация водно-гелевой суспензии, и изучались свойства полученных образцов. При этом количество и соотношение портландцемента и песка не менялись[5].

Каждый образец для определения прочностных свойств смеси был изготовлен в соответствии с требованиями. Для этого использовалась методика, основанная на следующих шагах: сначала в смеситель добавляли воду и СА, затем цемент. Все компоненты смешивались до получения однородной массы в течение 5 минут на медленной скорости в смесителе. После этого в смесь добавляли песок, и все компоненты перемешивали в течение еще 3 минут на средней скорости.

После смешивания смесь помещалась в формы размером 10 см × 10 см × 10 см, которые затем подвергались вибрации в течение 1 минуты, чтобы избавиться от воздушных пузырьков. После вибрации формы с образцами выдерживались в течение 26 суток при температуре 20±2 °C и относительной влажности 65±5%.

После выдерживания образцы извлекали из форм и хранились в стандартных условиях до момента проведения испытаний на сжатие на универсальной тестовой машине. Результаты исследования приведены в таблице 1, которая содержит данные о показателях плотности и прочности образцов бетона с СА в возрасте 28 суток.

Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Показатели плотности и прочности образцов бетона с СА в возрасте 28 суток

Для дальнейшей работы были выбраны образцы № 5, 6, 7, 11, 21 и 25 на основе данных о плотности и прочности материала, которые были представлены в табл. 1. Исходя из требований к плотности для использования материала в качестве легкого заполнителя для бетона, были выделены образцы, которые соответствовали этому требованию. Затем были проведены испытания на определение прочности для каждого образца, и результаты были сопоставлены с требованиями к заполнителям для использования в бетоне. После анализа данных, были выбраны образцы, которые обладали достаточной прочностью для использования в качестве легких заполнителей.

В ходе экспериментов было выяснено, что способ введения СА в смесь также влияет на качественные характеристики заполнителей. Были разработаны различные методы введения воды в сырой состав легкого заполнителя, которые в итоге сводятся к использованию СА в сухом или абсорбированном виде[6].

Для дальнейших исследований были использованы образцы легкого заполнителя, отформованные методом формования при помощи роторной грануляторной установки. Ингредиенты были добавлены в грануляторную установку в соответствии с определенными пропорциями, где была установлена необходимая скорость вращения ротора. В процессе формования, смесь подвергалась воздействию силы центробежной силы, вызванной вращением ротора гранулятора, что приводило к образованию круглых гранул диаметром от 3 до 8 см.

После завершения процесса формования гранулы были извлечены из гранулятора и оставлены на сушку и зрелость в течение 28 дней. Далее были проведены испытания для определения физико-механических свойств полученных легких заполнителей, включая плотность и прочность на сжатие. Полученные результаты были проанализированы и сравнены с ранее полученными данными, а также с требованиями к заполнителям для использования в легком бетоне.

На следующем этапе наших исследований мы изучили специфику формирования микроструктуры легкого заполнителя путем определения параметров структуры пор, а также с помощью метода сканирующей электронной микроскопии.

Показатели поровой структуры образцов определялись на ртутном порозиметре Pascal 240 EVO от Thermo Scientific. В исследовании использовалось 3 типа контента. Все образцы помещали на дилатометр типа CD3 и заполняли ртутью для удаления воздуха из пор с помощью вакуумного устройства. Затем дилатометр помещался в автоклавную секцию порозиметра с проникновением ртути 200 МПа. С помощью специального программного обеспечения определяли общую пористость (%), удельный и относительный объемы пористости (мм³/г) [7].

Таблица 2.

Характеристики структурной пористости образцов

Измерение пористости имеет важное значение при оценке свойств материалов, таких как механическая прочность, теплопроводность, звукопоглощение и другие. В нашем исследовании пористость использовалась как один из критериев качества легкого заполнителя.

Выполненные исследования показали, что использование СА оказывает существенное влияние на поровую структуру заполнителей (см. табл. 2). Показатели общей пористости и среднего диаметра пор сильно отличались в зависимости от количества СА (см. рис. 1).

Рисунок 1. Гистограмма сравнения общей пористости по размеру отформованных образцов

Согласно данным, представленным в таблице 2 и на рисунке 1, количество СА в значительной степени влияет на структуру материала. Из таблицы 2 следует, что исследуемые образцы №21 и №7 имеют наименьшую и наибольшую общие пористости соответственно.

Микроструктуру легкого заполнителя исследовали с помощью электронной микроскопии. На рисунках 2-3 представлены электронные изображения образцов, снятые на растровом электронном микроскопе SEM-EVO MA10 (Zeiss, Германия) [8].

На рисунке 2 можно наблюдать сухой СА, выступающий из цементного камня, в то время как на рисунке 3 представлена полусухая СА. В обоих случаях наблюдается образование пор вокруг СА, свидетельствующее о процессе десорбции воды после твердения портландцемента. Эти снимки дают ценную информацию о микроструктуре материала и его взаимодействии с водой.

Можно сделать заключение, что десорбция СА происходит в момент формирования кристаллов и может обеспечивать внутренний уход в момент набора прочности цементного камня. Снимки также объясняют механизм образования пор в цементном камне, который заключается в том, что гель образует связующую матрицу, наполняющую пространство между зернами цемента и образуя микроскопические поры в материале. Добавление СА позволяет увеличить количество пор и повысить общую пористость материала, что, в свою очередь, улучшает его свойства в плане влагоудержания.

Кроме того, пористость материала влияет не только на его влагоудерживающие свойства, но и на другие характеристики, например, упругость и морозостойкость. Оптимальная пористость может улучшить морозостойкость материала, делая его более привлекательным для использования в качестве легкого заполнителя. Для оценки свойств материала при воздействии низких температур был проведен эксперимент, в ходе которого использовались образцы кубической формы из составов № 5 и № 21 размерами 10 см × 10 см × 10 см[9].

Перед началом испытаний все образцы выдерживались в нормальных условиях (температура 20°C, относительная влажность 60%) в течение 28 дней для достижения максимальной прочности. Затем образцы были помещены в камеру морозильной установки, где им был подвергнут многократный цикл замораживания и оттаивания.

Каждый цикл замораживания и оттаивания длился 24 часа и состоял из периода замораживания при температуре -18°C и периода оттаивания при температуре +2°C. Всего было проведено 10 циклов замораживания и оттаивания.

После завершения циклов замораживания и оттаивания образцы были извлечены из камеры морозильной установки и оставлены на сушку при комнатной температуре в течение 24 часов. Затем были проведены испытания на определение физико-механических свойств образцов, включая прочность на сжатие и плотность[10].

Рисунок 4. Снимок микроструктуры образца на участке разлома

Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о высокой морозостойкости обоих составов при использовании суперабсорбента в качестве порообразующей добавки в цементный камень. Средняя величина прочности на сжатие образцов состава №5 была на 11,6% выше, чем у образцов состава №21, возможно, из-за различной концентрации суперабсорбента и плотности. Однако, в целом, оба образца показали устойчивость к морозу, что подтверждается отсутствием трещин и других повреждений на участке разлома образцов после испытаний.

Микроструктурный анализ поверхности образцов подтверждает полученные результаты и показывает, что использование суперабсорбента не только образует поры в материале, но и способствует повышению его морозостойкости. На рисунке 4 представлен снимок микроструктуры образца на участке разлома, где видно отсутствие повреждений и трещин.

Таким образом, использование суперабсорбента в качестве добавки в цементный камень может значительно повысить его морозостойкость, что является важным критерием для материалов, используемых в строительстве в зонах с холодным климатом.

Итак, можно уверенно заключить, что суперабсорбенты (СА) являются перспективным материалом для использования в производстве материалов с высокой пористостью и абсорбционной способностью. Исследования показали, что добавление СА позволяет значительно повысить пористость материала и улучшить его свойства в плане морозостойкости.

Применение суперабсорбентов в производстве легких заполнителей и легкого бетона является перспективным направлением в развитии строительной индустрии. Благодаря использованию этих материалов можно добиться существенного улучшения механических и физических свойств бетона, а также снизить эксплуатационные затраты на строительство и эксплуатацию зданий.

В целом, результаты исследований свидетельствуют о том, что применение суперабсорбентов в строительной индустрии может значительно улучшить свойства материалов и способствовать развитию более безопасного и эффективного строительства.

Список литературы:

1. Xianfeng Wang, Shaocong. Chen, Jun Ren, Ruosi Huang, Zhenhong Yang, Weilun Wang, Jian Liu. Effect of super absorbent polymer and mineral additives on mechanical, shrinkage and healing properties of self-healing lightweight aggregate concrete under different curing regimes, Construction and Building Materials, Volume 357, 2022, 129377, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129377.
2. Dang, Juntao, Jun Zhao, and Zhaohua Du. 2017. "Effect of Superabsorbent Polymer on the Properties of Concrete" Polymers 9, no. 12: 672. https://doi.org/10.3390/polym9120672
3. Al-Attar, Tareq & Al-Hubboubi, Suhair. (2017). Performance of Super-Absorbent Polymer (SAP) as an Internal Curing Agent for Self-Compacting Concrete. MATEC Web of Conferences 162, 02023 (2018). https://doi.org/10.1051/matecconf/201816202023
4. Fahad K. Alqahtani, Idrees Zafar. Plastic-based sustainable synthetic aggregate in Green Lightweight concrete – A review, Construction and Building Materials, Volume 292, 2021, 123321, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123321.
5. Gladson, T., & Dharani, N. (2021). Study On The Effect Of Superabsorbent Polymer On Strength Properties Of Concrete With And Without GGBS. Int. J. of Aquatic Science, 12(2), 3686-3698.
6. Шарафутдинов, К.Б. Изучение эффективности суперабсорбирующей полимерной добавки для уменьшения аутогенной усадки бетона без снижения его прочности / К.Б. Шарафутдинов [и др.] // Строительные материалы. 2021. № 12. С. 61-68. DOI: https:/doi.org/10.31659/0585- 430Х-2021-798-12-00-00.
7. Chang C, Duan B, Cai J, Zhang L. Superabsorbent hydrogels based on cellulose for smart swelling and controllable delivery. Eur Polym J. 2010;46(1):92–100.
8. Холназаров Баходир Азамович, Тураев Хайит Худайназарович и др.. "Синтез суперабсорбентного полимерного композита на основе сополимеров крахмала" Universum: химия и биология, no. 1-1 (79), 2021, pp. 70-73.
9. Адилходжаев Анвар Ишанович, Игамбердиев Бунёд Гайратович. "Изготовление волокнистого заполнителя из рисовой соломы и изучение его адгезивных свойств" Universum: технические науки, no. 6-2 (75), 2020, pp. 5-9.
10. Адилходжаев Анвар Ишанович, Игамбердиев Бунёд Гайратович. "Исследование взаимодействия адгезива с поверхностью субстрата в гипсоволокнистом материале" Universum: технические науки, no. 6-1 (75), 2020, pp. 91-96.