ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИКАРБОКСИЛАТНОГО СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА НА ЦЕМЕНТНОЕ ТЕСТО И КАМЕНЬ

АННОТАЦИЯ

В результате стремительного развития строительной отрасли возникла широкая потребность в пластификаторах, используемых для различных целей. Однако такие недостатки, как высокая стоимость и сложный процесс синтеза, ограничили широкое использование современных суперпластификаторов. В данной статье нами проведено экспериментальное исследование высокоэффективного суперпластификатора на основе поликарбоксилата. С использованием специального процесса, мономера и макномера был синтезирован новый суперпластификатор на основе поликарбоксилата. Изучено влияние температуры, соотношения веществ и времени на процесс полимеризации при синтезе суперпластификаторов. Исследованы ИК-спектр синтезированного суперпластификатора, текучесть цементного теста и прочность цементного камня. Результаты показали низкую себестоимость и высокую эффективность, что указывает на возможность применения этого нового суперпластификатора в высококачественном бетоне.

ABSTRACT

The rapid development of the construction industry has led to a widespread need for plasticizers used for various purposes. However, shortcomings such as high cost and complex synthesis processes have limited the widespread use of modern superplasticizers. In this article, we conducted an experimental study of a highly effective polycarboxylate-based superplasticizer. Using a special process, monomer, and macromonomer, a new polycarboxylate-based superplasticizer was synthesized. The influence of temperature, reactant ratios, and time on the polymerization process during the synthesis of superplasticizers was studied. The IR spectrum of the synthesized superplasticizer, the flowability of the cement paste, and the strength of the hardened cement were investigated. The results demonstrated low cost and high efficiency, indicating the potential for using this new superplasticizer in high-quality concrete.

Ключевые слова: поликарбоксилат, макромономер, цементный камень, прочность на сжатие, ИК-спектр, цементное тесто.

Keywords: polycarboxylate, macromonomer, cement stone, compressive strength, IR spectrum, cement paste.

Введение. В настоящее время строительная индустрия достигла значительного прогресса в производстве многих бетонных изделий, особенно высокопрочного бетона и эффективных бетонных продуктов. В современном производстве бетонных изделий ключевую роль играют химические добавки, которые являются основным средством повышения эффективности наиболее важных видов строительных материалов. Поликарбоксилаты синтезируются на основе мономеров ненасыщенных карбоновых кислот и макромеров длинноцепочечных алканов. Это высокоэффективный диспергатор цемента, считающийся перспективным для бетонных смесей. Молекулы поликарбоксилатов содержат различные функциональные группы, такие как COOH, -SO₃H, -NH₂ и -OH. Продукты гидратации портландцемента вызывают адгезию этих групп к своей поверхности, что нарушает структуру флокуляции между частицами цемента и приводит к образованию адсорбционного слоя. Пространственный барьер и электростатическое отталкивание, создаваемые добавленным суперпластификатором на основе поликарбоксилатов, оказывают существенное влияние на взаимодействие частиц цемента на границе раздела вода-твердый активатор. Поликарбоксилаты улучшают равномерное распределение частиц цемента [1-4]. В исследованиях показано, что структурные изменения на молекулярном уровне поликарбоксилатного суперпластификатора могут влиять на его дисперсионную способность и водоудерживающие свойства. Поликарбоксилатный суперпластификатор, синтезированный различными методами, может изменять свои дисперсионные свойства и способность к снижению водопотребности. Отмечается, что в процессе синтеза поликарбоксилатного суперпластификатора создается новый макромолекулярный мономер, молекулярная масса которого контролируется, а также регулируются его липофильные и гидрофильные группы [5; С. 1092]. Поликарбоксилатные суперпластификаторы представляют собой синтетические материалы и имеют различные методы полимеризации. Среди методов полимеризации существуют такие, как сополимеризация, привитая полимеризация и блочная полимеризация. Кроме того, поликарбоксилатные эфиры обладают высокой стабильностью, и такие явления, как расслоение или осаждение, в них наблюдаются крайне редко [6]. Суперпластификатор на основе поликарбоксилата обеспечил эффективную дисперсию частиц цемента, что позволило повысить текучесть бетонной смеси и улучшить ее реологические свойства с течением времени. По сравнению с суперпластификатором на основе нафталина, поликарбоксилатный суперпластификатор имеет большое количество гидрофильных групп в своей молекулярной цепи, что делает бетонную смесь более пластичной [7-8].

Методология. Поликарбоксилатный суперпластификатор на основе аллилглицидилового эфира мы назвали маркой ПК-56. При синтезе суперпластификатора марки ПК-56 в реактор с нержавеющим нагревателем заливают 40 литров дистиллированной воды. В первый реактор добавляют 30 кг НПЭГ и 2,79 кг акриловой кислоты на 40 литров воды. Для второго реактора добавляют 0,6 грамма аллилглицидилового эфира и меркаптопропионовую кислоту, перемешивая со скоростью 50 оборотов в минуту до достижения однородной массы. Затем продолжаем подачу смеси из первого реактора во второй с помощью специального химически стойкого насоса в течение 2-3 часов. Второй реактор постоянно нагреваем, перемешивая содержимое со скоростью 100 оборотов в минуту. Температура постоянно контролируется. Время и температура играют решающую роль в протекании реакции. После загрузки первой части реагентов во второй реактор через другое место ввода в реакционную смесь подают 5 литров раствора персульфата аммония в течение 40 минут. После окончания подачи раствора персульфата аммония поддерживаем температуру 60°C в течение 60 минут. В процессе синтеза происходит реакция сополимеризации мономеров. В полученном продукте определяется содержание сухого остатка и pH. В результате получается 30%-ный раствор поликарбоксилатного суперпластификатора.

Результаты и обсуждения.

Рисунок 1. Зависимость выхода поликарбоксилатного суперпластификатора на основе аллилглицидилового эфира от времени

Как видно из рисунка 1, наибольшая рентабельность по сравнению с другими достигается при соотношении эфира аллилглицида, акриловой кислоты и НПЭГ-2400 8:1:2,5. Процесс синтеза длится 5 часов. При продолжительности процесса синтеза более 5 часов наблюдается снижение выхода суперпластификатора. Это можно объяснить тем, что вещества, используемые в качестве сырья, находятся в различных агрегатных состояниях в течение более 5 часов. Поскольку наличие взаимодействующих веществ в двух разных агрегатных состояниях уменьшает их взаимодействие.

Рисунок 2. ИК-спектр поликарбоксилатного суперпластификатора на основе аллилглицидилового эфира

В ИК-спектре поликарбоксилатного суперпластификатора, синтезированного на основе аллилглицидилового эфира и НПЭГ-2400, широкая полоса поглощения около 3489,56 см-¹ соответствует валентным колебаниям гидроксильных (-OH) групп, присутствующих в полимерной цепи. Поглощение в области 2873,23 см−1 указывает на наличие валентных колебаний алифатических групп CH₂-CH₃. В области 1731,59 см^-1 можно наблюдать характерные полосы, соответствующие карбонильной (C=O) и карбоксильной (COOH) группам. Группы в области 1279,99 см^-1 и 1242,39 см^-1 соответствуют валентным колебаниям сложноэфирных связей C-O-C. Это указывает на наличие полиэфирных цепей в полимере и включение аллилглицидилового эфира в полимер. Сильное поглощение, наблюдаемое в области 1097,60 см^-1, связано с валентными колебаниями связей C-O, что подтверждает наличие полиэфирных боковых цепей, характерных для поликарбоксилатных суперпластификаторов.

Сроки схватывания цементного раствора определяли в соответствии с ГОСТ 310.3-76. Влияние суперпластификаторов на прочность бетонных образцов определяли на кубиках размером 2х2х2 см. Образцы хранили в комнатных условиях в течение 28 суток, после чего подвергали испытанию на сжатие.

Рисунок 3. Влияние суперпластификатора на основе аллилглитоцидилового эфира на цементное тесто

Как видно из приведенной выше диаграммы на рисунке 3, количество образующейся концентрации суперпластификатора существенно влияет на текучесть цементного раствора. Суперпластификатор использовали в количестве от 15% до 30% от массы. Полученные результаты показали, что при использовании суперпластификатора в виде 30% раствора пластифицирующие свойства показали самый высокий результат, а растекаемость цементного раствора составила 33 см. При добавлении 25%-ной добавки суперпластификатора в цементное тесто текучесть составила 26 см, а при добавлении 17%-ного суперпластификатора в цементное тесто проявила самые низкие пластифицирующие свойства, текучесть составила 15 см. Из этого видно, что при добавлении 30%-ного раствора синтезированного нами суперпластификатора получается суперпластификатор с наибольшими пластифицирующими свойствами.

Таблица 1.

Прочность цементного камня с добавлением суперпластификатора на основе аллилглитоцидилового эфира.

Дальнейшее увеличение количества добавки суперпластификатора на основе аллилглицидилового эфира снижает прочность цементного камня. Аналогичная ситуация наблюдается при добавлении суперпластификатора на основе аллилглицидилового эфира. При добавлении этой добавки в количестве 1% прочность цементного камня через 28 дней увеличивается на 33 МПа. При добавлении добавки поликарбоксилатного суперпластификатора прочность цементного камня увеличивается с увеличением количества добавок. Как видно из вышеизложенного, пластифицирующие свойства синтезированных пластифицирующих добавок оказывают положительное влияние.

Заключение

При синтезе суперпластификатора поликарбоксилат синтезировали на основе HPEG-2400, акриловой кислоты, аллилглицидилового эфира и инициаторов. Процесс реакции показал, что температура, соотношение веществ и время играют важную роль в полимеризации. В оптимальных условиях синтезированный продукт обладает высокой молекулярной массой и плотностью и может эффективно использоваться в бетонных смесях. Доказано, что полученные результаты важны для улучшения структуры и эффективности поликарбоксилатных суперпластификаторов.   Синтез суперпластифицирующих добавок для бетонных смесей является высокоэффективным и может быть рекомендован для использования при улучшении механических свойств бетонных изделий и бетонных смесей.

Список литературы:

1. Kwasny, J.; Sonebi, M.; Plasse, J.; Amziane, S. Influence of rheology on the quality of surface finish of cement-based mortars. Constr. Build. Mater. 2015, 89, 102-109.
2. Liu, B.; Wang, L.G.; Pan, G.H.; Li, D.X. Dispersion of graphene oxide modified polycarboxylate superplasticizer in cement alkali solution for improving cement composites. J. Build. 2022, 57, 104860.
3. Mardani-Aghabaglou, A.; Tuyan, M.; Yılmaz, G.; Arıöz, Ö.; Ramyar, K. Effect of different types of superplasticizer on fresh, rheological and strength properties of self-consolidating concrete. Constr. Build. Mater. 2013, 47, 1020–1025.
4. Gao, Y.; Tian, W.; Li, Y.; Zhu, J.; Liao, M.; Xie, Y. Study on compatibility mechanism of plasticizer and asphalt based on molecular dynamics. Mater. Des. 2023, 228, 111827.
5. Xia Y. etal. Synthesis and modification of polycarboxylate superplasticizers-A review //Materials. 2024. T. 17. №. 5.S. 1092.
6. Singh, T.; Arpanaei, A.; Elustondo, D.; Wang, Y.; Stocchero, A.; West, T.A.P.; Fu, Q. Emerging technologies for the development of woodproducts towards extended carbon storage and CO₂ capture. Carbon Capture Sci. Technol. 2022, 4, 100057.
7. Silvestro, L.; Ruviaro, A.S.; Lima, G.T.D.S.; Matos, P.R.D.; Rodríguez, E.; Gleize, P.J.P. Sonicating polycarboxylate-based superplasticizer for application in cementitious matrix. Rev. IBRACON Estrut. E Mater. 2023, 16, e16205.
8. Исмаилов Ф. С, Каримов М.У, Джалилов А. Т, Исмаилова Х. Д.// Испытание на прочность бетонных смесей с добавлением суперпластификаторов и базальтовой фибры. // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Исмаилов Ф.С. [и др.]. 2024. 10(127).c 16-18. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18395