Изучение влияния синтезированных пластифицирующих добавок на свойства геополимеров

Производство строительных материалов относится к числу наиболее консервативных областей техники. Внедрение новой или принципиальная модернизация существующей технологии в строительной индустрии происходит крайне редко. На протяжении всей истории развития строительной науки и техники было разработано значительное число новых материалов строительного назначения, однако лишь небольшая часть этих материалов производится промышленностью.

Вероятно, наиболее успешной технологией в строительной индустрии за всю историю ее развития является производство портландцемента – доминирующего вяжущего материала в современном строительстве. Без использования этого материала невозможно получение главного строительного материала современности – бетона и железобетона. Развитие технологии портландцемента, который был изобретен в начале XIX века, имело долгий эволюционный путь. Цемент, который производился на начальных этапах развития его технологии, по современным представлениям, не являлся портландцементом. Постепенное совершенствование технологии портландцемента привело к значительному росту его характеристик и объемов производства.

Очевидно, что сегодня не существует строительных вяжущих, способных в ближайшем будущем заменить портландцемент и бетон на его основе. Такое положение сложилось благодаря высоким характеристикам портландцемента, удовлетворяющего требованиям современных строительных технологий. Большое значение имеет монополизация цементной отрасли и колоссальные запасы сырья для производства цемента (карбонатные породы и глины), месторождения которых равномерно распределены на всех континентах Земли. Сегодня в мире производится около 4 млрд. тонн портландцемента в год и объемы производства его постоянно растут [1].

Производство геополимерных вяжущих и бетонов на их основе одно из наиболее перспективных направлений развития энерго- и ресурсосберегающих технологий строительных материалов [2]. Ресурсосберегающий потенциал таких материалов может быть реализован только при создании геополимерных материалов достаточно высокой долговечности.

В качестве наиболее перспективной альтернативы портландцемента можно рассматривать вяжущие щелочной активации, твердение которых происходит в результате реакции различных измельченных алюмосиликатных материалов – шлаков, зол, некоторых горных пород и других природных или искусственных материалов с щелочным активатором. Такие вяжущие по свойствам сопоставимы с портландцементом, а по некоторым характеристикам могут его превосходить [3]. Важным преимуществом вяжущих щелочной активации является возможность использования широкого спектра промышленных отходов, а также отсутствие в технологии энергоемкой операции обжига.

Суперпластификаторы позволяют резко повысить подвижность бетонной смеси без увеличения её водосодержания – это очень важно для укладки бетона по так называемой литьевой технологии. Типичный пример такого способа ведения работ – монолитное домостроение, столь популярное в последнее время во всём мире [4].

При испытании были использованы: силикатсодержащий щелочной активатор, инертный наполнитель, золошлак и золоунос. Растекаемость раствора была определена по ГОСТ 26798.1-96. Влияние суперпластификаторов на прочность геополимера определено на образцах размером 4 x 4 x 16 см. Образцы твердеют при нормальных условиях 1 сутки, а затем их испытывали на сжатие после термообработки.

Синтезирован суперпластификатор на основе поликарбоксилатов. Полученный продукт имеет вид желтоватой, вязко текучей жидкости с хорошим пластифицирующим эффектом. На рис. 1. показан ИК-спектр суперпластификатора.

Рисунок 1. ИК спектры полученного суперпластификатора

Как видно на рис. 1., полосы поглощения в области 1150-1070 см^-1 характерны для – С – О – С – групп, образовавших между собой метилольные группы. Кроме этого, полосы поглощения в областях 1260-1150 см^-1, 1080-1010 см^-1 и 700-600 см^-1, характерны для – С – SO₂–OH и для её солей.

При изучении влияния суперпластификаторов на физико-механические свойства геополимера, важную роль играет количество воды. Основная функция суперпластификатора при получении геополимера - уменьшить количество воды, и при этом получить тесто с нормальной густотой. В большинстве случаев, снижение количества воды приводит к повышению прочности геополимера.

В табл. 1 показано влияние полученного суперпластификатора на основе поликарбоксилата на снижение количества воды и улучшение прочности геополимера.

Таблица 1.

Результаты испытаний геополимера с синтезированным суперпластификатором

Из табл. 1 видно, что при добавлении суперпластификатора на основе поликарбоксилатов в геополимер, улучшается прочность последнего. Добавление суперпластификатора обусловливает положительное влияние его на структурообразование геополимера. Показатель плотности показывает, что улучшается удобоукладываемость композиции с добавлением суперпластификатора на основе поликарбоксилатов.

Полученный суперпластификатор, на основе поликарбоксилатов, имеет в своей химической структуре функциональные группы, которые улучшают растворимость в воде и адсорбцию макромолекулы суперпластификатора на поверхности частиц алюмосиликата и инертного наполнителя. Установлено, что полученный суперпластификатор относится к классу сильно пластифицирующих добавок по ГОСТ 10121-2001. Полученный суперпластификатор может уменьшать водопотребность на 15-50 % и при этом прочность геополимера увеличивается.

Изучено влияние суперпластификатора на структурообразование, микроструктурных особенностей и элементного анализа. Изучение полученного геополимера проводилось в Центре передовых технологий на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) высокого разрешения. На рисунках 2 и 3 показана разница между полученным геополимерным бетоном без суперпластификатора и геополимерным бетоном с суперпластификатором.

Геополимерный бетон с суперпластификатором, в отличии от геополимерного бетона без суперпластификатора, требует приблизительно в 2 раза меньше воды для достижения густоты геополимерной композиции. В результате, повышается активирующая способность активатора в композиции за счет увеличения его концентрации. Увеличение концентрации активатора происходит при уменьшении воды, но при этом равномерное распределение активатора по геополимерной композиции обеспечивается с помощью суперпластификатора на основе поликарбоксилатов. В состав активатора добавлен кремнийсодержащий диуретан, для повышения водостойкости геополимера. Кремний содержащий диуретан с алюмосиликатной структурой даёт эффект синергизма и повышает активацию алюмосиликата. В случае большого количества воды уменьшается концентрация щелочного активатора в системе геополимерной матрицы. Не происходит активация алюмосиликатной микросферы. Доказательством этого может служить мало-корродированная поверхность зольной микросферы, оставшаяся в результате отсутствия доступа реакционного щелочного агента к оболочке (рис. 2). При расходе большого количества воды и малой концентрации активатора существенно снижаются прочностные показатели геополимерного бетона. Причина недостаточных прочностных характеристик является неполное протекание реакций и не образование необходимой сложной алюмосиликатной структуры.

На рис.3 приведены результаты исследования полученного геополимера с суперпластификатором на основе поликарбоксилатов методом СЭМ. Как показано на рис.3 в геополимерных бетонах не появляются неоднородности, трещины и не активированные, шарообразные микросферы, а также не видно нераспределенных кристаллов щелочи и их карбонатов. Из-за повышенной реакционной способности усиливается реакция геополимеризации между летучей золой и активатором, это приводит к большому образованию геополимерного продукта и более компактной микроструктуре, что приводит к повышению прочности. В результате этого образуется камнеподобная прочная структура, обеспечивающая прочностные характеристики полученного геополимера. Прочная алюмосиликатная структура образуется в конце реакции геополимеризации. Эти свойства дают возможность расширить области применения геополимера.

Исследовано влияние полученного суперпластификатора на основе поликарбоксилатов. Снижение количества воды влияет на улучшение прочности геополимера, это влияет на химическую структуру функциональных групп, которые улучшают растворимость в воде и адсорбцию макромолекулы суперпластификатора на поверхности частиц алюмосиликата и инертного наполнителя. Кремний содержащий диуретан с алюмосиликатной структурой даёт эффект синергизма, активацию алюмосиликата, повышая водостойкость геополимера. Доказано, что полученный суперпластификатор, на основе поликарбоксилатов и кремнийсодержащего диуретана, улучшают структорообразование геополимера.