ПЛАСТИФИЦИРУЮЩАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БЕТОНА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
PLASTICISING ADDITIVE FOR CONCRETE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к технологии пластифицирующих добавок для бетонов на основе портландцементов.
Одним из важных и наиболее распространенных приемов получения технологичных бетонных смесей и качественных бетонов состоит во введении в бетонные смеси пластифицирующих добавок, обеспечивающих уменьшение вязкости и увеличение подвижности и с одновременным уменьшением водосодержания.
Ассортимент пластифицирующих добавок ограничивается в основном применением продуктов на основе жидких и порошкообразных лигносульфонатов ЛСТ, ЛСТМ, ЛСБУ и ЛСТИ и С-3 (Химические добавки для бетонов и строительных растворов, Строительный каталог СК-4, вып.1, М., 1987, с.35). Лигносульфонаты (ЛСТ), хотя и несколько уступают по эффективности известным суперпластификаторам, но по сравнению с последними имеют невысокую стоимость, и применение их не вызывает каких-либо сложностей, благодаря доступности исходных материалов, простоте необходимого оборудования для промышленного производства.
Во многих патентах и технической литературе описаны добавки на основе лигносульфонатов, снижающих водопотребность и способствующие диспергированию и разжижению бетонных смесей и строительных растворов. Примерами таких добавок являются, например, добавки, включающие: метилцеллюлозу, силиконат кальция и лигносульфонат натрия (T. Mizunuma, Admixtures for Grouting Composition Grouting, Chem. Abstr., 91 180418, 1979); карбонаты щелочных металлов и лигносульфонаты (Ger. Offen. №2813559, 05.10.1978); борат, лигносульфонат, карбонат и полиамины (US №4125160, 14.10.1978); формиат кальция, азотно-кислый натрий, лигносульфонат, поверхностно-активное вещество (GB №2003849, 21.03.1979); (SU №631483, 05.11.1979); лигносульфонат аммония (Ger. Offen. №2854349, 26.06.1980). Эти добавки не получили промышленного распространения ввиду ограниченности сырьевой базы большинства исходных компонентов и технологических трудностей, сопряженных с производством указанных добавок.
При применении технических лигносульфонатов как пластифицирующих добавок следует учитывать и их недостатки: нестабильность свойств; замедляющее влияние на процессы гидратации и твердения бетона; избыточное воздухововлечение в бетонную смесь, результатом чего тепловлажностную обработку бетонных изделий необходимо проводить в условиях мягких режимов с длительной (не менее четырехчасовой) предварительной выдержкой и медленным подъемом температуры.
Для приготовления пластификаторов повышенной эффективности разработан ряд способов модификации ЛСТ, в частности, формальдегидом или добавкой каустической соды.
По своей технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким аналогом-прототипом является поверхностно-активная добавка для бетонной смеси и способ ее получения (SU №802229, 11.04.1979). Данная добавка содержит лигносульфонаты и формальдегид соответственно 80-92 и 8-20 масс.%. В описании к указанному авторскому свидетельству СССР приводится также способ получения добавки, заключающийся в предварительном перемешивании лигносульфонатов с формальдегидом и нагревании смеси до температуры 65-85°C, затем вводят серную кислоту для поддержания pН=3-4 с последующей выдержкой в течение 5-40 мин, после чего в полученную смесь вводят раствор щелочи в количестве, обеспечивающем pH, равном 7,5-9, и выдерживают при температуре 65-90°C в течение 0,5-1 час.
Известная добавка, обладая несколько улучшенными свойствами по сравнению с рядовыми техническими лигносульфонатами, тем не менее она не позволяет, в частности, снизить расход цемента более, чем на 10-15%, хотя практическое ее использование не подтверждает заявленную экономию цемента в бетонах, учитывая снижение качества производимых цементов на отечественных заводах из-за всеобщего недожога клинкера.
Задачей изобретения является при использовании заявленной пластифицирующей добавки в бетонных смесях увеличение подвижности последних, повышение прочности бетона во все стандартные сроки твердения, а также экономии цемента в технологии бетона и производства ЖБИ.
Поставленная задача решается тем, что пластифицирующая добавка для бетона, включающая технические лигносульфонаты и формальдегид, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, масс.%: технические лигносульфонаты 28-49.5, формальдегид 1-7, остальное -вода до 100%.
В соответствии с изобретением способ получения добавки заключается в том, что производят перемешивание технических лигносульфонатов и формальдегида в слабокислой или нейтральной среде при температуре 65-75°C в течение 360-720 мин, при следующем соотношении компонентов, масс.%: технические лигносульфонаты 28-49,5, формальдегид 1-7, вода 49,5-65.
Сущность изобретения состоит в следующем.
При нагревании в слабокислой или нейтральной среде технических лигносульфонатов и формальдегида между ними происходит химическое взаимодействие, а именно конденсация формальдегида и фрагментов фенольных колец лигносульфонатов. В результате конденсации увеличивается молекулярная масса лигносульфонатов, что приводит к усилению взаимодействия между ними и зернами цемента. Это усиление взаимодействия является результатом образования на поверхности зерен цемента адсорбционных пленок из молекулярно-адсорбирующихся солей лигносульфоновых кислот. Наличие таких гидрофильных пленок способствует образованию вокруг частиц материала адсорбирующего ПАВ (каковыми являются технические лигносульфонаты), водных оболочек, препятствующих слипанию и выполняющих роль гидродинамической смазки.
Фактическая конденсация лигносульфоната и формальдегида приводит к сужению молекулярно-массового распределения. В силу диффузионных причин низкомолекулярная фракция лигносульфонатов более реакционно способна с кинетической точки зрения. Вследствие этого при конденсации реакция взаимодействия низкомолекулярной фракции протекает с большей скоростью, чем у высокомолекулярной фракции. Результатом различия в скоростях взаимодействия является увеличение средней молекулярной массы до величины порядка 15000-25000 Дальтон. Важно отметить, что наилучшие результаты получаются, когда лигносульфонат находится в существенном избытке по сравнению с формальдегидом. При увеличении массовой доли формальдегида свыше 7% (по массе) начинают активно взаимодействовать высокомолекулярные фракции лигносульфонатов, а это приводит к образованию побочных нерастворимых продуктов конденсации.
Способ получения добавки отличается от аналога-прототипа отсутствием стадии введения серной кислоты, поскольку конденсация проводится при величине pH, естественной для раствора лигносульфонатов. По сравнению с известным способом конденсацию проводят 360-720 минут вместо 5-40 минут, что обеспечивает большую полноту протекания реакции, это в свою очередь приводит к усилению пластифицирующих свойств добавки, получаемой согласно изобретению.
Для получения согласно изобретения пластифицирующей добавки для бетона используют: «Лигносульфонаты технические ТУ 2455-028-00279580-2004»; «Формалин технический. Технические условия. ГОСТ 1625-89».
Определение подвижности, жесткости и объемной массы бетонной смеси производились в соответствии с требованиями ГОСТ 10181-81 «Смеси бетонные. Методы испытания», ГОСТ Р 53231-2008 «Бетоны. Правила контроля прочности».
Бетонную смесь готовили из среднеалюминатного портландцемента марки 500 Д0, кварцевого песка с модулем крупности 2,2 и гранитного щебня фракции 5-20. Состав бетонной смеси - Ц:П:Щ:В=1:2,34:3:1,91 при водоцементном отношении В/Ц=0,50. Далее приведены примеры осуществления изобретения.
3
Пример 1. В аппарат с перемешивающим устройством загружают 100 г 30%-ного раствора технических лигносульфонатов, добавляют 20 г формалина (35% водный раствор формальдегида) (соотношение лигносульфонат:формальдегид - 1:0,07 по весу). Смесь перемешивали в течение 360 мин. На выходе получали пластифицирующую добавку с плотностью 1,14-1,16 г/см и содержащую 30-32% активной части.
Пример 2. Методика подготовки бетонной смеси была следующей: цемент и заполнители загружали в смеситель принудительного действия и перемешивали до получения однородной сухой массы, далее в смесь подавали воду затворения и пластифицирующую добавку в количестве 0,3-0,4% от массы цемента, при этом количество воды затворения рассчитывалось с учетом воды жидкофазной составляющей добавки.
В таблицах 1 и 2 представлены результаты испытаний, которые позволяют сделать заключение о том, что предлагаемая добавка обладает лучшей пластифицирующей способностью по сравнению с прототипом, а также обеспечивает сохраняемость бетонной смеси до трех-четырех часов.
Как показали результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний, использование настоящей пластифицирующей добавки в технологии бетона позволяет получить пластифицированные бетонные смеси при значительном повышении (от двух до пяти раз) подвижности без замедления твердения бетона как в ранние, так и в поздние сроки твердения и увеличения прочности бетона в эти же сроки на 25-30% по сравнению с известными пластифицирующими добавками на основе технических лигносульфонатов. Предварительные расчеты подтверждают ожидаемую экономию цемента порядка 15%.
Данная пластифицирующая добавка отвечает нормам ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов. Общие технические требования».
Таблица 1
Состав пластифицирующей добавки
№№ п/п
Дозировка добавки, масс.%
Продукт конденсации ЛСТ с формалином, масс.%
Вода, масс.%
1
0,5
0,96
99,04
2
0,3
0,60
99,40
3
0,35
0,68
99,32
4
0,4
0,78
99,22
Примечание: 1. Пример №1 соответствует прототипу
Таблица 2
Эффективность пластифицирующей добавки в бетонах
№№ п/п
Количество добавки, в % от массы цемента
Осадка конуса, см
Плотность смеси, кг/м<sup>3</sup>
в/ц
Предел прочности при сжатии МПа в возрасте:
3 суток
7 суток
28 суток
1
0,5*
17
2382
0,50
15,7
24,2
33,1
2
0,3**
18
2385
0,50
16,6
23,8
32,9
3
0,35**
20
2391
0,50
17,1
26,8
34,7
4
0,4**
23
2403
0,50
16,8
29,4
39,6
Примечание: 1. Пример №1 соответствует прототипу