Влияние структуры химических реагентов на основе поликарбоксилатов на пластификацию бетонов

Велюго Ю.В., директор ЧПУП «БелХимос»

В настоящее время при производстве бетонных и железобетонных изделий используют большое количество химических реагентов, предназначенных для пластификации бетонных растворов /1/. Как правило, коммерческие продукты представляют собой комплексы из пластифицирующей матрицы и различных добавок, корректирующих сроки схватывания и твердения, скорость набора прочности и способность проведения бетонных работ при минусовых температурах /2/.

На территории СНГ наиболее широко распространенными пластифицирующими основами являются полиметиленнафталинсульфонаты и лигносульфонаты. Однако такие материалы эффективны при относительно высоких дозировках, к тому же их производство неэкологично, поэтому представляет интерес создание новых пластифицирующих основ, способных работать на дозировках, в разы меньших по сравнению с полиметиленнафталинсульфонатами, и при этом сохранять эксплуатационные характеристики бетонных смесей.

Нами на лабораторной базе ЧПУП «БелХимос» активно ведутся исследования процессов синтеза пластифицирующих поликарбоксилатных матриц на основе производных акриловой кислоты, являющихся наиболее перспективным, на наш взгляд, классом материалов, позволяющих решить поставленную задачу.

Известен ряд публикаций /3–5/, в которых показана эффективность применения поликарбоксилатов (ПКБ), однако систематические исследования, позволяющие ответить на вопрос, какой должна быть структура поликарбоксилата, отсутствуют, а существующая информация крайне разноречива. Поэтому целью настоящей работы являлось определение основных структурных параметров поликарбоксилата (гребнеобразный или линейный, длины и частота боковых ответвлений в случае гребнеобразного ПКБ), необходимых для эффективной пластификации бетона.

Методы исследования

Линейные поликарбоксилаты синтезировались путем радикальной полимеризации акриловой кислоты в водном растворе. Гребнеобразные поликарбоксилаты получали путем этерификации линейных ПКБ с метоксилированным полиэтиленгликолем (МПЭГ) различной молекулярной массы (350, 500, 750, 1000 г/моль). Концентрации полученных ПКБ в растворах приводили к 30%.

Тестирование полученных ПКБ велось на цементно-песчаной смеси в соотношении 1:3 при водоцементном отношении – 0,48 на цементе ОАО «Красносельскстройматериалы». Дозировку ПКБ рассчитывали по норме цемента.

Эффективность ПКБ оценивалась по расплыву конуса на вискозиметре Суттарда.

Основным характерным параметром линейного поликарбоксилата является длина цепи, косвенным показателем которого принята молекулярная масса полимера. Поэтому нами был синтезирован ряд ПКБ линейного типа с молекулярной массой 1000, 2000, 5000, 8000 г/моль, которые, в свою очередь, протестированы на цементно-песчаной смеси с дозировкой ПКБ 0,8%.

Рис. 1. Зависимость растекаемости от молекулярной массы ПКБ

Из рис. 1 видно, что лучшей пластифицирующей способностью среди линейных обладают ПКБ с молекулярной массой порядка 2000–3000 г/моль.

Рассмотрим гребнеобразный ПКБ. Наряду с длиной основной цепи гребнеобразного ПКБ, важную роль играют длины боковых цепей и их частота. В качестве косвенного показателя длины основных и боковых цепей аналогично линейному ПКБ использовали молекулярную массу, а в качестве частоты боковых ответвлений – мольное соотношение мономер/МПЭГ. Тестирование на пластичность гребнеобразных ПКБ проводилась при их дозировке 0,5%.

Рис. 2. Влияние молекулярной массы основной цепи гребнеобразного ПКБ на растекаемость

Сначала была определена длина цепи линейной части ПКБ. Для этого синтезировали образцы гребнеобразного ПКБ с различной длиной линейной части и фиксированным мольным соотношением «акриловая кислота/МПЭГ» на уровне 1/10.

Рис. 3. Влияние оптимальной частоты боковых ответвлений ПКБ на растекаемость

Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальное значение молекулярной массы линейной части гребнеобразного ПКБ равно примерно 12000 г/моль.

В дальнейшем провели оптимизацию по количеству боковых цепей при указанной молекулярной массе.

Для этого были синтезированы гребнеобразные ПКБ с различным мольным соотношением «акриловая кислота/МПЭГ» (рис. 3). В результате установлено, что максимальный эффект пластификации достигается при мольной доле МПЭГ в пределах 8,5%.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что оптимальная молекулярная масса боковых цепей соответствует молекулярной массе МПЭГ на уровне 750 г/моль.

На завершающем этапе было проведено сравнительное тестирование полученных оптимальных образцов линейных и гребнеобразных пластифицирующих основ ПКБ (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость пластифицирующего эффекта от дозировки линейных и гребнеобразных ПКБ

Таким образом, в результате исследования установлено, что наиболее эффективные пластифицирующие основы представляют собой гребнеобразные поликарбоксилаты с молекулярной массой линейной части порядка 12000 г/моль, длиной боковых цепей, соответствующих молекулярной массе МПЭГ 750 г/моль, и частотой боковых ответвлений, соответствующих мольной доли МПЭГ на уровне 8,5–10%.

Кроме того, следует отметить, что гребнеобразные поликарбоксилаты позволяют работать на значительно меньших дозировках по сравнению с линейными ПКБ.

В настоящее время на базе ЧПУП «БелХимос» помимо лабораторных исследований по получению поликарбоксилатов создано производство указанных выше материалов, что позволяет обеспечить потребности отечественного рынка такого рода продукцией.

Литература:

1. Statistical study of cement additives with and without chloride on performance modifi-cation of Portland cement / Hong HUANG, Xiao-dong SHEN // Progress in Natural Science: Materials International, Volume 21, Issue 3, June 2011, Pages 246–253.
2. Influence of initial steam curing and different types of mineral additives on mechanical and durability properties of self-compacting concrete / A.M. Ramezanianpour, Kh. Esmaeili, S.A. Ghahari, A.A. Ramezanianpour // Construction and Building Materials, Volume 73, 30 December 2014, Pages 187–194.
3. Effects of the synthetic conditions of poly{carboxylate-g-(ethylene glycol) methyl ether} on the dispersibility in cement paste / Heon-Young Cho, Jung-Mok Suh / Cement and Concrete Research, Volume 35, Issue 5, May 2005, Pages 891–899.
4. Concrete with polymers / M. Frigione / Eco-Efficient Concrete, 2013, Pages 386–436.
5. Interactions of polymers and organic admixtures on portland cement hydration / Satish Chandra, Per Flodin // Cement and Concrete Research, Volume 17, Issue 6, November 1987, Pages 875–890.