автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетон с модифицированной лигносульфонатной добавкой

/ /

/

/ .4/ /

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

На правах рукописи

Пицхелаури Константин Германович

УДК 666.972.162

БЕТОН С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЛИГНОСУЛЬФОНАТНОЙ ДОБАВКОЙ Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки России доктор технических наук профессор В. И. Соломатов

Научный консультант заслуженный деятель науки Мордовии доктор технических наук профессор В. Д. Черкасов

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. ОПЫТ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНОВ С

МОДИФИЦИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ............................................................6

1.1. Модифицирующие добавки и механизм их действия на бетон............6

1.2. Технические лигносульфонаты. Строение и свойства.......................16

1.3. Опыт модифицирования технических лигносульфонатов.................17

1.4. Выводы........................................................................................................17

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................17

2.1. Цель и задачи исследований...................................................................17

2.2. Материалы используемые в работе........................................................17

2.3. Методы исследований ЛСТ.....................................................................17

2.4. Методы исследования вяжущих и бетонов.,.........................................17

2.5. Математические методы планирования эксперимента.....................17

3. РАЗРАБОТКА СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА ИЗ ЛИГНОСУЛЬФОНАТА.. 17

3.1. Предпосылки химического модифицирования лигносульфонатов .17 3 .2. Разработка технологического режима

модифицирования лигносульфоната...........................................................17

3.3. Физико-химические свойства модифицированных лигносульфонатов...........................................................................................17

3.4. Выводы........................................................................................................17

4. СВОЙСТВА БЕТОНА С МОДИФИЦИРОВАННОЙ

ЛИГНОСУЛЬФОНАТНОЙ ДОБАВКОЙ.............................................................17

4.1. Реологические свойства бетонной смеси.............................................17

4.2. Физико-механические свойства бетонов с модифицированной лигносульфонатной добавкой....................................................................... 17

4.3. Выводы........................................................................................................17

5. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ДОБАВКИ МЛД..............................17

5.1. Заводские испытания суперпластификатора.......................................17

5.2. Расчет экономической эффективности внедрения суперпластификатора в АО «ЖБК-1»............................................................17

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................17

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................17

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................17

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Улучшение свойств бетонов и растворов в современном строительстве помимо проектирования оптимального по эксплуатационным требованиям составов и тщательного соблюдения технолог ии заводского производства достигается применением модифицирующих добавок. Это позволяет в достаточно широких пределах изменять выходные характеристики бетонов, создавать материалы с требуемым комплексом свойств. Наибольшее распространение получили пластифицирующие добавки и особенно сугсерила-стификаторы. В строительной практике России и зарубежных странах известны такие синтетические суперпластифицирующие добавки, как С-3, С-4, Мель-мент. Применение суперпластификатора С-3 обеспечивает высокую разжижающую способность бетонной смеси и как следствие, существенную экономию цемента, интенсификацию технологии бетонных работ и производства железобетонных изделий.

Однако, как показывает опыт, суперпластификатор С-3 имеет ряд недостатков: токсичность, негативное влияние на морозостойкость, а также дефицитность и высокая стоимость. Поэтому ведутся работы по получению пластификаторов из доступных и недорогих исходных материалов, например, отходов производства и техногенных продуктов. Активно разрабатываются методы получения высокоэффективных пластификаторов на основе технических лигно-сульфонатов (ЛСТ). Известны эффективные добавки на базе модифицированных лигносульфонатов, такие как ЛСТМ-2, НИЛ-20, НИЛ-21, ХДСК-2 и др. Однако задача получения пластификаторов на основе ЛСТ не уступающих по эффективности продуктам сульфирования нафталина С-3 сохраняет свою остроту и актуальность.

Поэтому, основной целью диссертационной работы является разработка пластифицирующей добавки на основе ЛСТ, не уступающей известным суперпластификаторам и не имеющей их негативных черт. Кроме того, представляется важным экологический аспект этой проблемы.

Научная новизна работы. В работе получена добавка на основе ЛСТ, обладающая суперпластифицирующим действием и не уступающая по техническим показателям С-3. Использование добавки дает возможность получать высокоподвижные бетонные смеси и значительно улучшать свойства цементных бетонов. Обоснован способ и разработана технология получения пластифицирующей добавки. Предложены составы бетонов, отличающихся повышенной прочностью, плотностью и морозостойкостью.

Практическое значение работы. Разработанная высокоэффективная пластифицирующая добавка позволяет повысить прочность бетона до 20%, либо уменьшить количество цемента, необходимого для получения бетона равного класса с контрольным, на 15%. Кроме того, при этом представляется возможность утилизации многотоннажных отходов целлюлозно-бумажных предприятий.

Реализация работы. Предложенные пластифицирующие добавки применены для получения бетона на АО «ЖБК-1», г. Саранск. Прочность на сжатие полученного бетона составила на 17% выше прочности контрольного. Выпущена опытно-промышленная партия фундаментных блоков из этого бетона..

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по инженерным проблемам современного бетона и железобетона (г. Минск) и на IV академических чтениях (г. Саранск).

Публикации. По результатам исследований опубликовано четыре статьи, получено два патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация содержит 105 страниц текста, 21 рисунок, 8 таблиц, и библиографический список, включающий отечественные и зарубежные источники. В приложении приведены акт промышленного внедрения и результаты рентгеноструктурного анализа.

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы и технологии» Московского государственного университета путей сообщения».

1. ОПЫТ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНОВ С МОДИФИЦИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ

/. I. Модифицирующие добавки и механизм их действия на бетон

Один из основных путей дальнейшего развития технологии производства бетона и железобетона - применение модифицирующих добавок. Поэтому исследования по изучению свойств цементных композиции содержащих модифицирующие добавки, а также предложения по различным способам их применения сохраняют научный интерес и высокую практическую значимость [16, 70, 169,185].

К модифицирующим добавкам для бетонов относятся неорганические и органические вещества или их смеси (комплексы), за счет введения которых в состав бетонов в контролируемых количествах, направленно регулируются свойства бетонных смесей и бетонов, либо бетонам придаются специальные свойства. Применение различных модифицирующих добавок для приготовления цементных композиций непрерывно возрастает. Имеющиеся в научной литературе данные свидетельствуют о том, что основное количество бетона в промышленно развитых странах таких как США, Япония, ФРГ, Италия, Канада содержит хотя бы одну модифицирующую добавку. Использование модифицирующих добавок в виде отдельных компонентов или их сочетаний при изготовлении цементных композиций позволяет достичь определенного технического и экономического эффекта [17,23,45, 127, 131 171, 195,206,222].

Номенклатура вводимых модифицирующих добавок в цементные композиции на сегодня очень велика и продолжает увеличиваться. Рост числа модифицирующих добавок, различия в методах их получения и применения вызвали необходимость их классификации. В основу систематизации модифицирующих добавок положены различные подходы. В международной практике существует классификация, в которой все модифицирующие добавки делят по эффекту ич действия на цементные композиции [18, 90, 158, 170, 219].

Стандарты разных стран, существующие для регламентации и систематизации практического применения модифицирующих добавок, как правило, классифицируют модифицирующие добавки по эффекту их действия на цементные композиции и по величине этого эффекта. Кроме того, стандарты устанавливают различные требования к добавкам и методам их испытания, для оценки влияния на свойства бетонных смесей, и бетонов на цементном вяжущем [45, 198,212,229].

Иванов Ф. М. в работе [64] классифицирует органические добавки по механизму их взаимодействия с цементом или продуктами его гидратации. Специфика данной классификации заключается в том, что действие на цементные композиции добавок, относящихся к одной группе, может сильно отличаться.

В работе [121] Ратинов В, Б. и Розенберг Е. К. в основу систематизации кладут разделение, индивидуальных добавок на классы по механизму действия на процессы твердения минеральных вяжущих веществ с последующей их дифференциацией по группам. По этой классификации одна и та же добавка по ее влиянию на разные составляющие цемента может быть отнесена к различным классам. При этом, по мнению авторов, учет влияния добавки на разные составляющие цемента позволяет определять, какой из аспектов механизма действия этой добавки и на какой стадии взаимодействия с водой оказывает доминирующее действие, как влияет состав веществ, температура, водоцемситное отношение и другие технологические параметры на эффективность добавки.

Одними из наиболее значимых с точки зрения воздействия на структуру и свойства цементных композиций являются химические добавки обладающие поверхностно-активными свойствами. Являясь олигомерами и благодаря своей поверхностной активности они вступают в контакт со всеми составляющими цементных композиций, однако, главным объектом их воздействия выступает вяжущее, основной реакционно-способный и структурообразующий ком нонет [54, 121].

С помощью таких добавок возможно значительное улучшение удобоукла-дываемости цементных композиций, качественнее совершенствование структу-

ры цементного камня и бетона, что способствует высокому росту прочности модифицированных цементных композиций, либо значительной экономии вяжущего. Универсальность этих добавок заключается в том, что их влияние проявляется на всех этапах технологии цементных композиции и вызывает серьезные последствия в долговременном периоде формирования комплекса их свойств [64, 118,127].

В настоящее время разработка и исследование поверхностно-активных химических добавок представляет собой отдельное направление научных исследований. Разработка и получение химических веществ обладающих поверхностно-активными свойствами и являющихся добавками в цементные композиции ведется очень интенсивно, исследуются их свойства, механизм воздействия на цементные композиции, идет разработка теоретических основ модифицирования цементных композиций поверхностно-активными веществами |7, 15, 32, 42].

В работе [121] упоминается классификация, разделяющая добавки поверхностно-активных веществ на гидрофилизирующие, включающие наиболее известные на сегодня пластифицирующие и суперпластифицирующие добавки, и гидрофобизирующие, что дает возможность выразить влияние эффекта введения добавок ПАВ на технологические и физико-химические свойства цементных композиций. Там же говорится о другой классификации, согласно которой добавки поверхностно-активных веществ делятся на неионогенные и ионоген-ные. Ионогенные, в свою очередь, делятся на анионактивные добавки, диссоциирующие на поверхностно-активный анион, включающий углеводородный радикал, и неактивный катион, и катионактивные, диссоциирующие на поверхностно-активный катион и неактивный анион [121].

Классификация в работе [41], делящая добавки поверхностно-активных веществ по влиянию на процессы структурообразования выгодна тем, что характер их воздействия на свойства цементных композиций следует непосредственно из анализа их состава.

Наибольший интерес среди химических добавок, обладающих поверхностно-активными свойствами, представляют добавки, оказывающие пла-

стифицирующее действие на цементные композиции. Пластифицирующими называются добавки, которые увеличивают подвижность цементных композиций, или уменьшают количество воды, необходимое для обеспечения им подвижности, как у композиций без добавки. Класс пластификаторов на сегодня очень широк и включает в себя добавки с сильно отличающимися по масштабу эффектами. Поэтому для обозначения добавок с высоким пластифицирующим эффектом был введен специальный термин - суперпластификатор. Суперпластификаторами называются вещества, снижающие водопотребность цементных композиций до 30%, без снижения их подвижности. К категории суперпластификаторов предлагается отнести добавки, применение которых в оптимальных дозировках позволяет получить из малоподвижных цементных композиций высокоподвижные или литые без какого-либо заметного снижения прочности в возрасте 28 суток твердения в нормальных влажностных условиях по сравнению с прочностью цементных композиций того же состава, но без добавок. Суперпластификаторы как добавки в цементные композиции достаточно широко стали применяться с начала 60-х годов. Приоритет в выпуске суперпластификаторов принадлежит фирмам «Suddent she Kalsticksoft» (ФРГ), «Onada cement Co ltd» и «Као Soap Co ltd» (Япония) [45, 53, 54, 59, 70, 159].

В работах [45, 73, 224] пластифицирующие добавки разделяются на группы по величине пластифицирующего эффекта. В группу суперпластифици-рующих входят добавки увеличивающие осадку конуса бетонной смеси с 2-3 см до 20см и более и уменьшающие количество воды затворения не менее чем на 20%.

Ассоциация Великобритании по добавкам в бетоны еще в 1975 году предложила отдельную классификацию суперпластифицирующих добавок в основу которой положены химический состав добавок и составляющие их компоненты [229]:

1. Сульфированные меламинформальдегидные смолы и комплексные добавки на их основе.

2. Продукты конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида и комплексные добавки на их основе.

3. Модифицированные очищенные и практически не содержащие Сахаров лигносульфонаты и комплексные добавки на их основе.

В 1977 году эта классификация была расширена. Четвертую группу составили продукты конденсации оксикарбоновых кислот [219].

На основе меламина и нафталина были получены эффективные суперпластификаторы, которые обладают высокой разжижающей способностью и значительно улучшают физико-механические свойства цементных композиций. Однако их применение ограничено. Это обусловлено их высокой стоимостью, дефицитом веществ для их получения, а также имеющимися нежелательными побочными эффектами. Кроме того, суперпластификаторы на основе меланина и нафталина включают в состав формальдегид и следовательно могут быть канцерогенными. Продукты третьей группы к настоящему времени еще недостаточно разработаны [97, 53, 147, 158].

В последние годы для пластификации цементных композиций широко применяются различные отходы производства [132, 6], в частности модифицированные лигносульфонаты [90]. Последние экспериментальные данные говорят о том, что модифицированный лигносульфонат имеющий достаточно упорядоченную структуру и в значительной степени очищенный от загрязняющих его и влияющих на его состав примесей, может обладать суперплаетифици-рующим действием [188].

Сегодня ведется интенсивный поиск путей эффективной, модификации лигносульфонатов с целью получения на их основе пластифицирующих добавок, не уступающих по своим свойствам известным суперпластификаторам из первых двух групп, и не имеющие их негативных черт. Это обусловлено их доступностью, дешевизной, хорошей растворимостью в воде, возможностью их получения в жидком, порошкообразном, гранулированном виде, отсутствием неприятных запахов, нетоксичностью, достаточно высокими исходными реологическими свойствами, способностью легко поддаваться модифицированию, значительно улучшая при этом свои свойства [87, 97, 115, 186].

Исследованию механизма влияния добавок, оказывающих разжижающее действие на цементные композиции, посвящено много работ. Несмотря на су-

ществующие разногласия по различным проблемам теории пластификации большинство исследователей в целом одинаково характеризуют основные процессы, происхо