The assessment of the suitability of synthetic humic acids in the production of cellular concrete

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.

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:

1. ГК являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), вызывают вспенивание водно-щелочных растворов и таких коллоидных систем, как цементный раствор;
2. 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);
3. являясь ПАВ, ГК образуют водоотталкивающую пленку на поверхности цементного камня, прочно связанную с бетоном, таким образом придавая композиции водоотталкивающие свойства;
4. взаимное проникновение отдельных макромолекул между отдельными микрокристаллами кристаллогидрата бетонной композиции приводит фактически к микроармированию бетона и усилению его прочностных свойств на статические нагрузки;
5. 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;
6. 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);
7. обладая способностью не окисляться и не подвергаться микробному воздействию, ГК сохраняют свои свойства в течение всего срока эксплуатации конструкции;
8. ГК обладают антибактерицидными свойствами, подавляя жизнедеятельность таких микроорганизмов, как палочка Коха (возбудитель туберкулеза);
9. ГК являются не горючими веществами;
10. 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.