The assessment of the suitability of synthetic humic acids in the production of cellular concrete
- Authors: Dudkin D.V.1
-
Affiliations:
- Yugra State University
- Issue: Vol 12, No 2 (2016)
- Pages: 34-38
- Section: Articles
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/7397
- DOI: https://doi.org/10.17816/byusu201612234-38
- ID: 7397
Cite item
Full Text
Abstract
Investigated the suitability of the synthetic humic acids as foaming agent in the production of aerated non-autoclaved concrete. It is shown that in aqueous-alkaline solutions of humic acids tend to form hardened pins and can be recommended as surface-active substances in the production of aerated concrete.
Keywords
Full Text
Введение
В технологии современного гражданского строительства широко востребован такой конструкционный материал как ячеистый бетон. Наибольшее распространение в строительстве получили пенобетонные и газобетонные блоки, хотя из пенобетона можно делать и монолитные конструкции, которые в последнее время становятся все более популярными.
Изделия из пенобетона производятся автоклавным и безавтоклавным способами. Широкое распространение получило производство безавтоклавного пенобетона. Этот вид пенобетона дольше набирает необходимую структурную прочность, чем пенобетон, подвергнутый твердению в автоклаве. Но при этом производство удешевляется: не требуется дорогого автоклавного оборудования, что делает изделия из безавтоклавного пенобетона более привлекательными. По оценкам специалистов, себестоимость изделий из неавтоклавного пенобетона в 1,5–2 раза ниже, чем из автоклавного.
На свойства пенобетона оказывает большое влияние качество пенообразователя. В настоящее время в основном применяются синтетические пенообразователи на основе органических соединений как отечественного, так и импортного производства. Существуют и специальные добавки – ускорители схватывания и твердения. Добавка антиморозных присадок позволяет осуществлять монолитные заливки пенобетоном до минус 15 – минус 20 °С.
Большой интерес при производстве ячеистого бетона представляет использование в качестве пенообразователя солей гуминовых кислот (ГК) – гуматов. Гуминовые кислоты хорошо растворимы в водных растворах щелочей и нерастворимы в воде, что позволяет их вводить в состав цементного камня. При отверждении бетона гуматы равномерно распределяются в теле бетонного камня, затворяются в нем, так как они нерастворимы в воде.
Среди потенциальных преимуществ использования ГК в производстве пенобетона можно выделить следующие:
- ГК являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), вызывают вспенивание водно-щелочных растворов и таких коллоидных систем, как цементный раствор;
- ГК вступают в межмолекулярное взаимодействие с ионами минеральной части цементных растворов, обволакивая их и образуя глобулу (на практике это приводит к образованию дополнительного количества твердой пены);
- являясь ПАВ, ГК образуют водоотталкивающую пленку на поверхности цементного камня, прочно связанную с бетоном, таким образом придавая композиции водоотталкивающие свойства;
- взаимное проникновение отдельных макромолекул между отдельными микрокристаллами кристаллогидрата бетонной композиции приводит фактически к микроармированию бетона и усилению его прочностных свойств на статические нагрузки;
- обладая способностью удерживать воду в связанном состоянии, ГК при введении в состав цементного раствора способны делать более равномерным твердение цементного камня, независимо от колебаний температуры и влажности окружающей среды;
- находясь в растворенном состоянии, ГК понижают температуру замерзания цементного раствора, что позволяет производить цементные работы в области отрицательных температур окружающей среды (чем больше ГК введено в раствор, тем ниже температура замерзания);
- обладая способностью не окисляться и не подвергаться микробному воздействию, ГК сохраняют свои свойства в течение всего срока эксплуатации конструкции;
- ГК обладают антибактерицидными свойствами, подавляя жизнедеятельность таких микроорганизмов, как палочка Коха (возбудитель туберкулеза);
- ГК являются не горючими веществами;
- ГК безвредны для человека, животных и растений.
Известно, что гуминовые кислоты обладают свойством вытеснять фосфорную и кремниевую кислоту из их солей, и, в частности, из алюмосиликатов [1]. При этом образуются очень прочные соединения с ионами алюминия, железа, кальция, в которых ион металла выступает в качестве комплексообразователя, а ГК – в качестве лиганда. Если молекула ГК имеет развернутую структуру, то взаимодействие с ионами алюминия, кальция или железа приводит к образованию свернутой глобулярной структуры [1]. Данная реакция комплексообразования может быть использована для получения отвердевших пен – ячеистых бетонов. Однако ГК природного генезиса зачастую находятся в свернутом (глобулированном) состоянии и не могут быть использованы в производстве. Тем не менее, известен способ искусственного получения гуминовых кислот [2]. Так как в рамках описываемого способа используется малозольное сырье, не содержащее комплексообразующих ионов, то можно предположить, что образующиеся молекулы ГК имеют развернутую структуру и могут быть потенциально использованы в качестве поверхностно-активных веществ для получения ячеистых бетонов. Преимуществом синтетических ГК в производстве ячеистых бетонов может являться их более высокая молекулярная масса [3], потенциально позволяющая получать более крупные поры в структуре бетона.
Целью данного исследования являлась оценка применимости искусственно полученных ГК в рамках способа [2] в качестве ПАВ для производства безавтоклавного бетона.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования использованы ПАВ – водно-щелочные растворы ГК, полученные из верхового сфагнового фускум-торфа (Sphagnum fuscum) Обь-Иртышской поймы со степенью разложения (R) менее 20 %. Растворы гуматов были получены в соответствии с патентом [2]. В качестве щелочей были использованы сухие вещества: гидроксид калия, гидроксид натрия и водный раствор аммиака с концентрацией 25 % квалификаций «х.ч.»
Для получения растворов гуматов навеску торфа обрабатывали в роторном кавитационном аппарате конструкции А. Д. Петракова [4] с частотой вращения ротора 3000 об./мин. раствором щелочи с концентрацией 1 моль/л в течение 10 минут. Далее охлажденный до комнатной температуры раствор ГК использовался в качестве ПАВ для приготовления песко-цементной смеси. Для получения песко-цементного раствора необходимые компоненты – песок (ГОСТ 6139-2003), цемент (марки ПЦ-400 Д 20 (ГОСТ 10178-85) и раствор ГК были взяты в соотношении 4,8 : 1,2 : 1 (доля массы). Смещение компонентов производилось в бетономешалке марки Вихрь БМ-120 в течение 5 минут при температуре окружающей среды 20 C. После разливки смеси в формы песко-цементный раствор отверждался в течение 72 ч. при температуре окружающей среды 20 °C и влажности воздуха менее 40 %. Далее образцы извлекались из форм и проводилось их испытание на изгиб и сжатие по ГОСТ 10180–90.
Результаты исследований
Анализируя влияние типа синтетических ГК на пористость бетона, необходимо отметить уменьшение плотности цементного камня при введении в его состав синтетической ГК (табл. 1). Пористость бетона не зависит от типа синтетических ГК. Плотность бетона снижается под действием синтетических ГК на 10 %. Прочностные характеристики ячеистых бетонов на сжатие полученных с применением синтетических гуминовых кислот показывают уменьшение прочности на 15–20 % (табл. 2). Аналогичные результаты получены для прочности на изгиб (табл. 3). Наилучшими показателями, с учетом плотности материала, обладает бетон, полученный с применением ГК, синтезированной из верхового торфа в водном растворе гидроксида калия (табл. 1).
Таблица 1. Влияние синтетических ГК на пористость бетонов по ГОСТ 10180-90*
Образец | Плотность, кг/м3 |
Контроль | 2049,97±73,45 |
Гумат аммония из оксиаммонизированного торфа | 1848,76±45,01 |
Гумат натрия из окисленного торфа | 1877,55±59,75 |
Гумат калия из окисленного торфа | 1817,09±60,01 |
Прототип | 800,00±35,03 |
* – все препараты, за исключением контроля, содержат 0,2 % ГК.
Таблица 2. Влияние синтетических ГК на прочность бетонов на сжатие по ГОСТ 10180-90*
Образец | Критическая нагрузка, кН |
Контроль | 34,05±0,71 |
Гумат аммония из оксиаммонизированного торфа | 26,19±0,53 |
Гумат натрия из окисленного торфа | 28,77±1,03 |
Гумат калия из окисленного торфа | 27,43±0,47 |
Прототип | 0,47±0,09 |
* – все препараты, за исключением контроля, содержат 0,2 % ГК.
Таблица 3. Влияние синтетических ГК на прочность бетонов на изгиб по ГОСТ 10180-90*
Вариант | Критическая нагрузка, кН |
Контроль | 1,26 |
Гумат аммония из оксиаммонизированного торфа | 0,94 |
Гумат натрия из окисленного торфа | 0,56 |
Гумат калия из окисленного торфа | 0,33 |
* – все препараты, за исключением контроля, содержат 0,2 % ГК.
Прочностные характеристики ячеистых бетонов на излом соотносятся с молекулярной массой ГК [3]. Периферическая часть ГК (полиозы) проявляет армирующее действие тем больше, чем выше молекулярная масса.
На фотографиях и микрофотографиях отчетливо видна пористая структура ячеистого бетона, полученного с применением синтетических ГК (рис. 1, 2).
Рисунок 1 – Пористая структура ячеистого бетона (а – ячеистый бетон, б – контроль)
Рисунок 2 – Микрофотография поры в структуре ячеистого бетона, полученного с применением синтетической ГК (а – ячеистый бетон, б – контроль)
Так как в реакции комплексообразования при производстве бетона ионы алюминия и кальция поглощаются в системе из цемента, то закономерное увеличение массовой доли лиганда (ГК) приводит к ослаблению прочностных свойств материала (табл. 4). Таким образом, для повышения прочностных свойств материала, а также его пористости в систему необходимо ввести дополнительное количество ионов кальция. Для этой цели в состав бетона дополнительно был введен оксид кальция (табл. 5).
Таблица 4. Влияние массовой доли синтетического ГК на пористость и прочность бетонов на сжатие по ГОСТ 10180-90
Массовая доля ГК, % | Плотность, г/см3 | Критическая нагрузка, кН |
0 | 2049,97±73,45 | 34,05±0,71 |
0,028 | 1892±35,510 | 15,2±0,51 |
0,114 | 1978±57,160 | 16,5±0,32 |
0,200 | 1817,09±60,01 | 27,43±0,47 |
0,400 | 1853±32,14 | 18,8±0,56 |
0,600 | 1764±24,06 | 1,3±0,32 |
Таблица 5. Влияние оксида кальция на пористость и прочность бетонов на сжатие по ГОСТ 10180-90*
Массовая доля CaO, % | Плотность, г/см3 | Критическая нагрузка, кН |
0 | 2049,97±73,45 | 34,05±0,71 |
2 | 1888,40±35,50 | 27,26±0,47 |
5 | 1683,0±12,90 | 25,13±0,56 |
10 | 1564,5±1,50 | 15,04±0,20 |
15 | 1608,7±1,50 | 6,20±0,10 |
* – массовая доля ГК составляет 0,114 %
Характеризуя представленные данные, можно отметить уменьшение плотности бетона наряду с увеличением массовой доли гидроксида кальция. Однако введение в состав цементного камня более 10 % оксида кальция приводит к некоторому росту плотности материала, что можно объяснить заполнением полостей в бетоне кристаллизующимся гидроксидом кальция.
Традиционная технология получения ячеистых бетонов основана на отверждении пены, образующейся в результате протекания реакции в бетонном растворе между металлическим алюминием и щелочью. При этом наиболее часто для формирования ячеистой структуры бетона в реакционную смесь вводят порядка 0,1 % алюминия, 30–75 % цемента и 1–1,5 % гидроксида натрия или 20–30 % оксида кальция [1]. В табл. 6 представлены данные физических характеристик бетона, полученного с применением вышеописанной реакции и ГК.
Таблица 6. Влияние присутствия ГК на пористость и прочность на сжатие по ГОСТ 10180-90 ячеистого неавтоклавного бетона*
Проба | Плотность, г/см3 | Критическая нагрузка, кН |
Контроль | 1562,8±3,3 | 27,43±0,47 |
Образец | 1412,5±10,5 | 28,77±1,03 |
* – массовая доля в контроле и образце: алюминия – 0,077 %, двууглекислого натрия – 0,3 %, цемента – 20,7 %, минерального наполнителя – 61,7%. Массовая доля ГК в образце – 0,17 %.
Получение неавтоклавного ячеистого бетона с применением синтетических ГК позволяет дополнительно облегчить бетон на 10 %.
Вывод
Водно-щелочные растворы гуминовых кислот могут быть использованы в качестве поверхностно-активных веществ при производстве ячеистых бетонов.
About the authors
Denis V. Dudkin
Yugra State University
Author for correspondence.
Email: dvdudkin@rambler.ru
Candidate of Chemical Sciences, Acting head of the Department of Ecology and Environmental Sciences, Associate Professor, Institute of Nature Management, Yugra State University
Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012References
- Дудкин, Д. В. Особенности молекулярного строения гуминовых кислот, полученных в условиях санации растительного сырья в водно-щелочных средах [Текст] / Д. В. Дудкин, И. М. Федяева, А. С. Змановская // Химия растительного сырья. – 2015. – № 1. – С. 147–154.
- Майоров, П. М. Бетонные смеси: Рецептурный справочник для строителей и производителей строительных материалов [Текст] / П. М. Майоров. – Ростов н/Д : «Феникс», 2009. – 462 с.
- Роторный насос-теплогенератор : пат. 2159901 Рос. Федерация : МПК F 24 J 3/00, F25B30/00 [Текст] / А. Д. Петраков, С. Т. Санников, О. П. Яковлев ; заявители и патентообладатели: А. Д. Петраков, С. Т. Санников, О. П. Яковлев. – № 98115256/06 ; заявл. 07.08.1998 ; опубл. 27.11.2000, Бюл. № 33. – 2 с. ил.
- Способ получения гуминовых кислот и гуматов из торфа : пат. 2429214 Рос. Федерация [Текст] / Д. В. Дудкин, Г. Ф. Фахретдинова, А. С. Толстяк ; патентообладатель Югор. гос. ун-т. – № 2010118361/21 ; заявл. 06.05.10 ; опубл. 20.09.11, Бюл. № 26.