Добавки на основе олигомеров капролактама для тяжёлого бетона

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ ВЯЧЕСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ

ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ

ОЛИГОМЕРОВ КАПРОЛАКТАМА

ДЛЯ ТЯЖЁЛОГО БЕТОНА

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Иваново – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Падохин Валерий Алексеевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Логанина Валентина Ивановна Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кафедра «Стандартизация, сертификация и аудит качества», заведующая
	доктор технических наук, профессор Щепочкина Юлия Алексеевна Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра «Строительные материалы и специальные технологии», профессор
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 22 февраля 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.060.01 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, ауд. Г-204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного университета (г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20). (www.igasu.ru; inf@igasu.ru)

Автореферат разослан «____» января 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Заянчуковская Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Самыми массовыми в производстве строительных материалов были и остаются бетон и железобетон. Из всех видов бетонов наиболее важным является тяжёлый бетон для строительства жилых и промышленных зданий, гидротехнических сооружений, мостов, автомобильных дорог, объектов специального назначения.

Для достижения наилучших качественных показателей производимых бетонных и железобетонных изделий используются добавки, различные по результату воздействия на бетон. Актуальной задачей является разработка добавок для тяжёлого бетона, включая добавки многофункционального назначения, на основе доступных отечественных химических продуктов.

Такими являются добавки на основе продуктов олигомеризации

капролактама глицерином в среде растительных масел.

Из множества производимых добавок следует выделить группы замедляющих и ускоряющих процесс твердения бетона, водоредуцирующих и повышающих водонепроницаемость бетона, воздухововлекающих и антиморозных добавок. Необходимым условием для широкого использования добавок является сочетание ряда свойств, присущих отдельно взятым добавкам.

Этими свойствами обладают разработанные в настоящей работе композиции добавок на основе продуктов олигомеризации капролактама, содержащие неорганические и органические вещества синтетического, природного и растительного происхождения.

Тематика исследований, представленных в диссертации, поддержана грантом РФФИ 09-08-13671-офи-ц.

Цель работы. Разработка научно-обоснованных способов создания композиционных многофункциональных добавок на основе производных капролактама для улучшения свойств тяжёлых бетонов и бетонных смесей.

Задачи исследования:

- исследовать возможность применения продуктов олигомеризации капролактама в качестве добавок для тяжёлых бетонов;

- выявить определяющие факторы процесса получения композиций добавок на основе продуктов олигомеризации капролактама, влияющие на их функциональные свойства;

_______________________________________________________________

Научный консультант – советник РААСН, д-р т.н М.В. Акулова

- разработать оптимальные рецептуры добавок на основе продуктов олигомеризации капролактама для пластифицирования тяжёлых бетонных смесей, ускорения процесса твердения и уменьшения водопоглощения бетона;

- исследовать механизмы влияния добавок на основе продуктов олигомеризации капролактама на физико-механические свойства и структуру тяжёлого бетона;

- определить оптимальную концентрацию добавок в бетонной смеси для получения бетона класса В 22,5;

- разработать технологическую схему получения добавок для тяжёлого бетона с использованием продуктов олигомеризации капролактама;

- определить экономическую эффективность использования многофункциональных добавок на основе олигомеров капролактама в производстве тяжелого бетона.

Научная новизна. Установлены закономерности процессов образования олигомеров -капролактама, являющихся основой получения добавок для тяжёлых бетонов.

Впервые установлено, что, изменяя параметры процесса олигомеризации капролактама, можно получать вещества, обладающие улучшенными пластифицирующими, водоредуцирующими, поверхностно-активными свойствами.

Выявлена взаимосвязь между поверхностно-активными свойствами новых добавок и изменением подвижности, удобоукладываемости, водопотребности и воздухововлечения тяжёлых бетонных смесей.

Впервые созданы и исследованы добавки на основе олигомеров капролактама, технических лигносульфонатов (ЛСТ), фосфолипидной эмульсии (ФЛЭ), поливинилового спирта (ПВС), низкомолекулярного полиэтилена (НМПЭ) и изучено их влияние на физико-механические свойства тяжёлого бетона класса В 22,5.

Методами математического планирования эксперимента определена взаимосвязь поверхностно-активных свойств синтезированных олигомеров -капролактама с режимными параметрами получения и составом исходных веществ.

Исследованы механизмы влияния добавок на пластификацию бетонных смесей и последующий процесс твердения тяжёлых бетонов. Определены оптимальные составы и концентрации вводимых в бетонные смеси добавок, при которых прочностные свойства тяжелых бетонов возрастают в 1,3 – 1,4 раза, уменьшается водопоглощение по сравнению с образцами без добавок.

Практическая значимость работы. Созданы и апробированы высокоэффективные пластифицирующие добавки на основе олигомеров капролактама и фосфолипидов растительных масел, увеличивающие сроки схватывания бетонных смесей. Это позволяет улучшить качество формуемых бетонных и железобетонных изделий, в том числе на удалённых объектах строительства.

Разработаны оптимальные рецептуры новых многофункциональных добавок, использование которых в тяжёлых бетонах при меньшей концентрации (в 1,33 – 2,0 раза) улучшает их структуру и физико-механические свойства.

На полученные продукты олигомеризации капролактама были разработаны технические условия (ТУ № 0258-005-020-68189-2009). Получено санитарно-эпидемиологическое заключение № 37.ИЦ.02.025.Т. 000033.02.10 от 05.02.2010 г. о соответствии добавок техническим требованиям С.П. 2.2.2.1327- 03.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на: IV Ивановском инновационном салоне «Инновации – 2007», г. Иваново; II Международной научно-практической конференции «Новые разработки и опыт эксплуатации катализаторов в производстве», г. Тольятти, 2010 г.; IV Всероссийской конференции по химической технологии с международным участием, г. Москва, 2012 г.; ХIХ Международной научно-технической конференции, г.Иваново, 2012 г.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований, представленных в диссертации, использованы при изготовлении изделий из тяжелого бетона на предприятиях ОАО «Ивановская ДСК», ОАО «Стройиндустрия-Холдинг», г. Иваново.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, из них в журналах, рекомендованных в перечне ВАК, – 7, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,

5 глав, основных выводов и содержит 141 страницу текста, 42 рисунка,

18 таблиц, библиографический список, включающий 168 наименований, приложение.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

В первой главе приведена классификация бетонов, дана характеристика цементов и компонентов, используемых в производстве бетона и железобетона. Рассмотрены физико-химические свойства добавок на основе продуктов переработки растительных масел и их химической модификации синтетическими и природными веществами. Дана характеристика свойств замедляющих, пластифицирующих, ускоряющих, кольматирующих, водоредуцирующих, воздухововлекающих, противоморозных добавок в цементные растворы и в бетоны в соответствии с общими техническими требованиями к химическим добавкам согласно ГОСТ 24211-2008. Рассмотрены функциональные свойства полимерных добавок

В диссертации нашли отражение исследования по управлению свойствами бетона, выполненные Ю.М. Баженовым, П.А. Ребиндером,

В.И. Соломатовым, И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Буттом, В.Б. Ратиновым, А.Е. Шейкиным, О.П. Мчедловым-Петросяном, В.С. Рамачандраном. Ими было установлено, что на сроки схватывания цементного теста, кинетику твердения цементного камня и бетона, в первую очередь, влияют минералогический состав цементного клинкера, водоцементное отношение, тонкость помола цементного клинкера, химическая природа и количество вводимых добавок.

Во второй главе приведены свойства материалов и веществ, которые были использованы в ходе экспериментов для получения комплексных добавок в бетонные смеси; перечислены методы проведения испытаний бетона для определения эффективности добавок; показаны способы определения вязкостных характеристик, щёлочности и кислотности продуктов олигомеризации капролактама.

В третьей главе рассмотрены технология получения олигомеров -капролактама и её аппаратурное оформление. Проанализирована зависимость свойств продуктов олигомеризации капролактама от соотношения исходных реагентов, температуры и длительности процесса.

На основании результатов исследования свойств полученных олигомеров капролактама и анализа их влияния на характеристики тяжёлого бетона установлено, что полученные продукты обладают поверхностно-активными свойствами и способностью комплексно с другими добавками воздействовать на свойства бетонных смесей. Исследованы смачивающие и эмульгирующие свойства продуктов олигомеризации капролактама, составляющих основу многофункциональных добавок. Приведены зависимости поверхностного натяжения и устойчивости водных эмульсий полученных добавок от их концентрации. Установлен интервал значений концентраций добавок 7,5 - 10 г/л, соответствующий интервалу минимальных значений поверхностного натяжения 20 - 25 мН/м. Определена устойчивость эмульсий при концентрации добавок от 4 до 10 г/л, составляющая от 250 до 2010 ч. В табл.1 приведены значения величины угла смачивания металлической поверхности 5 % водными эмульсиями олигомеров капролактама (ОЛК I, III, V, VII).

Таблица 1

Характеристика смачивающей способности олигомеров капролактама металлической поверхности

Наименование олигомера	Угол смачивания 5%(масс.) водной эмульсии, град.
ОЛК I – продукт взаимодействия капролактама, стеариновой кислоты, полиэтиленгликоля (ПЭГ-400), время получения – 5,5 ч при +245С	24,06
ОЛК III – то же, время получения – 7,0 ч при +245С	32,2
ОЛК V – продукт взаимодействия капролактама, гли- церина, стеариновой кислоты, полиэтиленгликоля (ПЭГ- 1500), время получения – 7,0 ч при + 250С	33,96
ОЛК VII – то же, время получения – 8,0 ч при +260С	35,4

Исследован процесс олигомеризации капролактама глицерином в среде растительных масел. Приведена оптимизация составов продуктов олигомеризации капролактама по вязкости, величине угла смачивания, параметрам процесса их получения (табл.2). На основании анализа проведённой оптимизации для получения композиций новых добавок в бетоны были выбраны продукты олигомеризации ОЛК V, ОЛК VIII.

Методом математического планирования эксперимента определяли влияние концентраций исходных компонентов Х (капролактам), Х1 (глицерин), Х2 (стеариновая кислота), Х3 (полиэтиленгликоль) на угол смачивания полученной композиции. Оптимизацию состава получаемых продуктов проводили по двухфакторному методу путём парного сочетания концентраций исходных компонентов. Обработка данных проводилась с использованием программы Surfer 8.

На рис.1 показано графическое решение полученных величин угла смачивания поверхности стальной пластинки 5% эмульсиями олигомеров (табл.2) при парном сочетании концентраций компонентов смеси. На основании анализа диаграмм а,б,в (рис.1) можно сделать заключение, что при концентрациях глицерина в интервале 33,0 – 56,0 % от массы исходного -капролактама, 10,0 – 16,0 % стеариновой кислоты и полиэтиленгликоля до 4,0 % получаются олигомеры капролактама, растворимые в воде и имеющие угол смачивания твёрдой поверхности 24 - 36.

Таблица 2

Зависимость вязкости олигомеров -капролактама от состава

исходной смеси компонентов

Виды олигомеров (ОЛК)	Относительная вязкость олигомеров капролактама	Состав основных реагентов относительно содержания капролактама (Х)			Параметры синтеза		Угол смачивания, град
		Глицерин (Х1)	Стеариновая кислота (Х2)	Полиэтиленгликоль (Х3)	Время получения, ч	Температура, С
I	1,0452	-	0,15	0,05	5,5	245	24,06
II	1,0583	-	0,5	0,2	7,0	245	53,08
III	1,0624	1,0	0,2	0,2	7,0	245	32,2
IV	1,0608	0,37	0,125	0,04	5,0	245	32,6
V	1,0521	0,37	0,125	0,01	7,0	250	33,96
VI	1,0592	0,37	0,125	0,03	7,0	260	34,6
VII	1,0508	0,30	0,10	0,15	8,0	260	35,4
VIII	1,0748	0,30	0,10	0,15	12	275	68,92

а) б) в)

Рис.1. Диаграммы, характеризующие области оптимальных составов олигомеров при сочетании параметров: а – Х1 (глицерин) –Х2 (стеариновая кислота);

б – Х1(глицерин) – Х3 (полиэтиленгликоль); в – Х2 (стеариновая кислота) –

Х3 (полиэтиленгликоль)

В работе проведены сравнительные исследования влияния полученных добавок на прочностные свойства тяжёлых бетонов и добавки С-3 (табл. 3). Для получения бетона использовали цемент I 42,5Н

(ГОСТ 31108-2003), В/Ц – 0,3. Состав бетонной смеси, г: цемент - 1050; песок - 2820; щебень - 3845; добавка - 3,15. В качестве основы добавок использовали олигомеры капролактама ОЛК V (табл. 2). Состав добавок показан в табл.3. Данные таблицы показывают, что добавка комплексных пластификаторов увеличивает прочность бетона при сжатии, а наилучшие результаты показывает следующий состав: олигомер капролактама

(ОЛК V), хлорид кальция, лигносульфонаты (42,8 МПа).

Таблица 3

Влияние добавок на основе олигомеров капролактама

на прочность бетона

Состав добавок	Предел прочности при сжатии, МПа
Контрольный образец бетона	31,5
ОЛК V – продукт олигомеризации капролактама	32,6
ОЛК V + хлорид кальция	39,4
ОЛК V + хлорид кальция + лигносульфонаты	42,8
ОЛК V + лигносульфонаты	38,3
Суперпластификатор С – 3	38,6