с 01.01.2022 по настоящее время
Льгов, Курская область, Россия
Россия
с 01.01.2022 по 01.01.2024
с. Любостань, Курская область, Россия
с 01.01.2022 по настоящее время
Белгородская область, Россия
УДК 628.477.2 Изготовление из отбросов полезных субстанций для промышленности (протеин, спирт)
В ходе данной работы были исследованы характеристики водопоглощения, краевого угла смачивания, свободной энергии поверхности образцов цементного камня из тампонажного цемента и ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н с добавлением присадок на основе отходов экстракции лецитина. Также были проверенные прочностные характеристики цементного камня с добавлением присадок на основе отходов экстракции лецитина. Установлено, что добавка 0,5% технического лецитина в тампонажный цемент уменьшает водопоглощение до 4,5%. Выявлено, что добавка соевого лецитина в количестве 0,1% снижает водопоглощение цементного камня на основе тампонажного цемента до 6,35%.Оксалатно-жировой осадок при добавлении в цементный камень на основе тампонажного цемента снижает равномерно с увеличением концентрации снижает водопоглощение вплоть до 8,15% при концентрации добавки 0,5%. Наилучшее результаты по снижению водопоглощения у цементный камней на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н наблюдаются у оксалатно-жирового осадка в концентрации 0,5% и достигают значений 2,81%. В случае остальных добавок водопоглощение изменяется незначительно. Измерены краевые углы смачивания у образцов и рассчитаны свободные энергии поверхностей. Измерены прочностные характеристики образцов цементного камня на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н с добавлением присадок на основе отходов экстракции лецитина.
цемент, добавки, лецитин, отходы, цементный камень, бетон, водопоглощение, краевой угол смачивания, свободная энергия поверхности
Введение. Бетон является основным строительным материалом, который широко используется по всему миру благодаря своей прочности, долговечности и экономичности. Однако, несмотря на эти преимущества, бетон подвержен различным разрушительным процессам, таким как коррозия, увлажнение, с последующей заморозкой и разморозкой, водная эрозия, которые могут значительно снизить его эксплуатационные характеристики и срок службы. Являясь довольно гидрофильным материалом, бетон способен к взаимодействию с водой, которая оказывает на него разрушающее войздействие. Известно, что большинство бетонов имеет пористо-капиллярную структуру, которая и способствует гидрофильности данного материала. Износ происходит посредством заполнения водой микропор, которые, в свою очередь, расшираются за счёт замерзания воды, что ведёт к ещё большему их заполнению, и, соответственно, расширению, которое, в конце концов, приводит к уменьшению прочности и разрушению бетона. Таким образом, уменьшение количества воды в порах бетона гарантирует его долговечность.
Уменьшение водопоглащения наиболее важно для подземных бетонных конструкций таких как: подвалы, погреба, фундаменты, скважины и т.д. Поэтому для исследования были выбраны тампонажный цемент и цемент марки ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н. Так как цементы марок 42,5 Н, часто используют в гражданском строительстве, а тампонажный – для заполнения скважин.
Для повышения долговечности, уменьшения водопоглощения и общей гидрофобилизации бетона исследователи активно разрабатывают и внедряют различные добавки, которые улучшают его свойства [1–5]. Такие добавки способны изменять характеристики бетона таким образом, чтобы придать поверхности или внутренней структуре композита водооталкивающие свойства. Наиболее распрастранёнными добавками для повышения водооталкивающих свойств служат жирные кислоты, которые в большом количестве содержатся в лецитине и продуктах его переработки, а также их соли, такие как стераты и олеаты щелочных и щелочноземельных металлов, более известных как мыла. Добавление органических добавок на основе отходов – популярная тема у отечественных исследователей [6]. Так, большое количество работ посвящено исследованию и внедрению добавок на основе отходов древоперерабатывающей промышленности [7–10]. Близкие по химическому составу лецитинам соапстоки растительных масел были исследованы в качестве гидрофобилизирующей добавки в работах [11–13]. И исследования продолжаются.
Лецитин – это группа фосфолипидов, естественных компонентов клеточных мембран, широко распространенных в природе. Он, главным образом, добывается из соевых бобов и используется в различных отраслях промышленности, включая пищевую, фармацевтическую и косметическую. Лецитин известен своими гидрофобными и эмульгирующими свойствами [14,15], которые потенциально могут благоприятно сказаться на фазовом составе бетона в процессе его твердения. Благодаря своим уникальным химическим свойствам, лецитин является важной функциональной добавкой, которая может быть также полезна в строительной отрасли.
Перспективным типом добавок являются отходы экстракции лецитина. Лецитины, получаемые в процессе переработки растительных масел, обладают уникальными свойствами, которые могут улучшить характеристики бетона. В частности, за счёт наличия в составе липидов и жирных кислот они могут повысить водоотталкивающие свойства бетона, снизить его водопроницаемость, а наличие фосфолипидов может повлиять на прочностные показатели.
Исследования в этой статье сосредоточены на влиянии добавок, полученных при переработке лецитина и его отходов, на гидрофобные свойства образцов цементного камня на основе тампонажного лецитина и ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н. Рассмотрены три типа добавок: на основе чистого лецитина, на основе технического лецитина и на основе оксалатно-жирового осадка. Каждая из этих добавок обладает уникальными свойствами, которые могут по-разному влиять на структуру и прочность цементного материала.
Целью данной работы является исследование гидрофобных свойств цементного камня, полученного с добавлением оригинальных добавок на основе отходов экстракции лецитина. Исследование влияния этих добавок на степень водопоглощения, изменения угла смачивания и прочностные характеристики цементного камня имеет важное значение как для практического применения в строительстве, так и для научного сообщества. Полученные результаты могут пролить свет на новые перспективы в области улучшения цементных материалов и способствовать решению экологических проблем, связанных с утилизацией отходов, полученных, например, в результате промышленного производства фармацевтических веществ из лецитина.
Материалы и методы. Для приготовления образцов использовались бездобавочный тампонажный цемент и ЦЕМ А/II – Ш42,5 Н. Объектами исследования служили образцы цементного камня. Для приготовления цементного камня кубической формы 20х20х20 мм использовался цементный раствор с водоцементным соотношением В/Ц = 0,33, изготовленный из растворов нормальной густоты, на основе бездобавочного тампонажного и ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н цементов. Условия твердения – температура (20±2) °С и относительная влажность воздуха 50–70%. Перед проведением испытаний образцы выдерживали в течение 28 суток для отверждения в нормальных условиях.
В качестве добавки использовали оригинальные составы, полученные из отходов экстракции лецитина и самого соевого лецитина, в частности. Добавки предварительно размешивали с водой, необходимой для получения цементного раствора, нагревая смесь до 40 °С и получая при этом устойчивую эмульсию, после чего смесь охлаждали до комнатной температуры. В работе использовали три вида добавок: 1. Соевый или исходный лецитин; 2. Технический или обеднённый лецитин; 3. Оксалатно-жировой осадок. Последние два вещества являются отходами.
В данной работе использовался лецитин, полученный традиционным образом, с характеристиками, соответствующими ГОСТ 32052-2013 (табл.1).
Таблица 1
Результаты испытаний лецитина и технического лецитина
|
Показатель |
Единица измерения |
Данные испытаний лецитина |
|
Массовая доля веществ, нерастворимых в толуоле |
% |
0,05 |
|
Массовая доля веществ, нерастворимых в ацетоне |
% |
62,7 |
|
Массовая доля летучих веществ |
% |
0,08 |
|
Кислотное число |
мг КОН/г |
20,3 |
|
Перекисное число |
Ммоль/кг ½ О |
0,1 |
В процессе промышленной экстракции соевого лецитина, отработанный слой реагента отделяют от органического растворителя, далее этот слой исчерпывающе упаривают от остатков растворителя, таким образом получая технический лецитин. Этот отход представляет собой густую темно-коричневую подвижную массу, не растворимую в ацетоне. Оксалатно-жировой осадок образуется при дальнейшей переработке экстракта и представляет собой, после упаривания растворителя, коричневый осадок с высоким содержанием жирных кислот и оксалата натрия.
Прочностные характеристики образцов были исследованы на электронном прессе «РЭМ-100-А-1-1», страна изготовления – Россия. Водопоглощение оценивалось по методике ГОСТ 12730.3-2020 путём погружения образцов в воду с последующим измерением массы насыщенного водой образца раз в сутки, в течение недели. Угол краевого смачивания определяли на приборе «KRUSS Easy Drop DSA 30E» на воде и йодметане с последующим вычислением свободной энергии поверхности материала по методу ОВРК (метод Оунса, Вендта, Рабеля и Кьельбле). Методика расчета представлена в работе [16].
Основная часть. Известно, что лецитин обладает амфифильными свойствами, что означает, что его молекулы содержат как гидрофильные (водорастворимые), так и гидрофобные (жирорастворимые) участки. Это делает его идеальным эмульгатором, способным стабилизировать смеси воды и жира, что широко используется в пищевой промышленности, косметике и фармацевтике. Учитывая, что в лецитине и в отходах его промышленной экстракции содержится большое количество жирных кислот, известных своей гидрофобностью, можно предположить, что добавление лецитина в бетонные смеси будет оказывать многогранное воздействие на их свойства. Фосфолипиды лецитина могут способствовать изменению микроструктуры цементного камня, улучшая сцепление между цементными частицами и водой, что приводит к повышению прочности и долговечности бетона. Гидрофобные свойства входящих в состав жирных кислот лецитина будут способствовать уменьшению водопоглощения и повышению водостойкости бетона, что особенно важно для конструкций, подверженных воздействию влаги.
Снижение водопоглощения оказывает положительное влияние на долговечность бетона. Уменьшение количества воды, способной проникать в материал, препятствует развитию коррозионных процессов в цементном камне и повышает устойчивость к морозному пучению. Это особенно важно для конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных внешних условий, таких как мосты, фундаменты и подвалы.
Механизм воздействия лецитина на водопоглощение бетона можно объяснить его способностью стабилизировать водно-цементную смесь, изменяя растворимость клинкерных минералов и связывая продукты гидратации, такие как гидроксид кальция. Это способствует образованию и росту более плотных и устойчивых кристаллических структур, что снижает общую пористость материала.
В первую очередь было исследовано водопоглощение образцов цементного камня из тампонажного цемента и ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н, а также образцов с разным содержанием добавок на основе отходов экстракции лецитина и самого соевого лецитина, для сравнения. Полученные результаты представлены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость водопоглощения цементного камня на основе тампонажного цемента
с различным содержанием добавок
Из представленных данных видно, что на тампонажный цемент все добавки оказывают положительное влияние, снижая степень водопоглощения с увеличением концентрации добавки. Особенно следует выделить добавку на основе технического лецитина, благодаря которому водополглощение композиции снизилось на 9 % – с 17,47 % до 8,4 2%, также при увеличении содержания данной добавки водопоглащение продолжает снижаться, вплоть до 4,5 %, при содержании добавки 0,5 %. Соевый лецитин даёт наилучшие показатели водопоглощения при добавлении 0,1 % от массы, составляя 6,35 %. Однако, с увеличением концентрации добавки водопоглощение повышается. Вероятно, это связано с тем, что в отличие от технического лецитина, исходный соевый лецитин не лишён фосфолипидов, которые, в свою очередь, являются гидрофильными соединениями и вполне могут удерживать воду. Оксалатно-жировой осадок равномерно снижает водопоглощение с увеличением содержания добавки, однако только при максимальной концентрации достигает значений прошлый двух добавок, равных 8,15 %.
Рис. 2. Зависимость водопоглощения цементного камня на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н
с различным содержанием добавок
Данные, представленные на рисунке 2, ясно указывают на то, что в случае ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н наиболее сильное влияние оказывает добавка оксалатно-жирового осадка в концентрации 0,5%, снижая водопоглощение композиции на 1,5%. Добавки технического и соевого лецитинов, оказывают незначительное влияние на цементный камень, полученный на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н.
Также одним из методов оценки гидрофобных свойств бетона является определение краевого угла смачивания поверхности и дальнейший расчёт СЭП (свободной энергии поверхности). В данной работе были исследованы поверхности образцов тампонажного цемента и ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н с добавками технического лецитина, соевого лецитина и оскалатно-жирового осадка в концентрации 0,1% так как данная концентрация добавок способствует образованию цементного камня с наиболее перспективными характеристиками водопоглощения и прочности. Результаты представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Краевой угол смачивания и свободная энергия поверхности образцов из тампонажного цемента
|
Название |
КУС, ° |
СЭП, Дж/м2 |
|
Контрольный образец |
59,6 |
50,97 |
|
0,1% Технического лецитина |
47,79 |
56,97 |
|
0,1% Соевого лецитина |
56,37 |
47,62 |
|
0,1% Оксалатно-жирового осадка |
42,08 |
62,52 |
Из полученных данных видно, что влияние добавок из отходов промышленной экстракции лецитина не претерпевает существенных улучшений и, даже наоборот, краевой угол смачивания образцов становиться ниже, чем у стандартных образцов. Что может значить, что поверхность становиться более гидрофильной. В купе с данными о водопоглощении, можно предположить, что композиции с добавками на основе отходов экстракции лецитина претерпевают изменения внутри композиции, изменяя капиллярно-пористую структуру самого материала и не затрагивая или незначительно влияя на его поверхность, что также подтверждают измерения свободной энергии поверхности, рассчитанные по методу ОВРК.
Таблица 3
Краевой угол смачивания и свободная
энергия поверхности образцов
из ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н
|
Название |
КУС, ° |
СЭП, Дж/м2 |
|
Контрольный образец |
49,98 |
57,15 |
|
0,1% Технического |
34,12 |
62,49 |
|
0,1% Соевого лецитина |
29,21 |
69,37 |
|
0,1% Оксалатно-жирового осадка |
42,02 |
62,97 |
Для более полной картины влияния добавок из отходов промышленной экстракции лецитина на цементный камень, полученный на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н, необходимо было узнать и влияние данных добавок на прочностные характеристики образцов. Исследование прочности образцов тампонажного цемента проводили в работе [17]. Полученные значения представлены на рисунках 3 и 4.
Как видно из представленных данных добавление в композицию на основе ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н даже 0,1% технического и соевого лецитинов снижает набор прочности на 33%, в случае оксалатно-жирового осадка набор прочности изменяется незначительно. Однако при дальнейшем увеличении концентрации прочность также снижается.
В случае тампонажного цемента набор прочности увеличивается при добавлении 0,1% технического или соевого лецитина и уменьшается при увеличении концентрации этих добавок. Оксалатно-жировой осадок снижает набор прочности при низких концентрациях добавки, а при
0,5 % – изменяет его незначительно относительно стандартного образца на основе тампонажного цемента.
Рис. 3. Зависимость прочности цементного камня из тампонажного цемента от концентрации добавки
Рис. 4. Зависимость прочности цементного камня из ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н от концентрации добавки
Анализируя полученные данные, можно предположить, что добавки на основе отходов экстракции лецитина положительно влияют на прочностные характеристики и водопоглощение цементного камня из тампонажного цемента, однако не оказывают положительного воздействия на прочностные характеристики цементного камня из ЦЕМ А/II – Ш 42,5 Н.
Выводы. На основе проведённых исследований можно сделать выводы о том, что лецитин и его производные оказывают значительное влияние на снижение водопоглощения цементного камня, особенно, в случае тампонажного цемента. Технический лецитин продемонстрировал наибольший эффект, снижая водопоглощение на 9% при концентрации 0,5%. Соевый лецитин также показывает хорошие результаты при низкой концентрации, но при её увеличении водопоглощение начинает увеличиваться. Оксалатно-жировой осадок равномерно снижает водопоглощение, хотя и уступает другим добавкам по эффективности.
Исследования показали, что добавки на основе отходов промышленной экстракции лецитина не приводят к значительным улучшениям краевого угла смачивания и свободной энергии поверхности, а в некоторых случаях даже снижают эти показатели, что может указывать на повышение гидрофильности поверхности. Это предполагает, что добавки изменяют микроструктуру материала, незначительно влияя на его поверхность.
Добавление 0,1% технического и соевого лецитинов приводит к снижению прочности цементного камня на 33%, в то время как оксалатно-жировой осадок оказывает менее выраженное влияние. Увеличение концентрации добавок приводит к дальнейшему снижению прочностных характеристик.
Таким образом, добавки на основе отходов экстракции лецитина способны значительно улучшить водоотталкивающие свойства цементного камня, но при этом могут негативно сказаться на его прочностных характеристиках. Это указывает на необходимость дальнейших исследований по оптимизации состава добавок и поиска баланса между гидрофобизацией и сохранением прочностных свойств бетона.
1. Барановская Е.И., Мечай А.А., Довжик Н.С., Колпащиков В.Л. Исследование влияния органических добавок на основе поликарбоксилатного лигнина на реологические свойства ячеистобетонных смесей // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2018. №2 (211). С. 77–82.
2. Патент № 2072971 C1 Российская Федерация, МПК C04B 28/04, C04B 22/06, C04B 24/04. добавка для бетонной смеси: № 93015448/04; заявл. 24.03.1993; опубл. 10.02.1997 / Ю.П. Гладких, В.И. Завражина, В.В. Ядыкина. заявл. 24.03.1993; опубл. 10.02.1997 5 с.
3. Седнев В.А., Сергеенкова Н.А. Использование гидрофобизирующих композиций для повышения защищённости зданий из бетона от негативного воздействия воды // Технологии техносферной безопасности. 2016. №. 4. С. 194-206.
4. Гегерь В.Я., Гегерь В.Я., Лукутцова Н.П., Карпиков Е.Г., Петров Р.О. Повышение эффективности мелкозернистого бетона комплексной микродисперсной добавкой // Вестник БГТУ им. ВГ Шухова. 2013. №. 3. С. 15–18.
5. Румянцева В.Е., Караваев И.В., Коновалова В.С., Логинова, С.А. Коррозия бетона с гидрофобизирующими добавками // Повышение эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности. 2016. С. 138–141.
6. Михалко И.К. Использование промышленных отходов в производстве цемента // Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России: Сборник статей XVII Международной научно-практической конференции, Пенза, 24–25 января 2019 года. Пенза: Пензенский государственный аграрный университет. 2019. С. 123-129.
7. Патент № 2209792 C1 Российская Федерация, МПК C04B 28/02, C04B 24/06. Добавка для бетонной смеси: № 2002100630/03 / В. Н. Махлай, С. В. Афанасьев, В. И. Герасименко, С. С. Сабитов.; заявл. 16.01.2002; опубл. 10.08.2003 5 с.
8. Мечай А.А., Барановская Е.И., Гончар А.Н. Применение органических добавок комплексного действия в технологии автоклавного ячеистого бетона // Опыт производства и применения ячеистого бетона автоклавного твердения: материалы 10-й международной научно-практической конференции. Минск: Издатель А. Н. Вараскин, 2018. С. 74–77.
9. Хорохордин А.М., Рудаков Я.О., Перцев В.Т. Черепахина Р.Г., Рудаков О.Б. Применение шлам-лигнина гашеного известью в качестве добавки в бетон // Химия, физика и механика материалов. 2021. № 2(29). С. 90–97.
10. Барановская Е.И., Мечай А.А., Довжик Н.С., Колпащиков В.Л. Исследование влияния органических добавок на основе поликарбоксилатного лигнина на реологические свойства ячеистобетонных смесей // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2018. №2 (211). С. 77–82.
11. Дуйсебаева С.Т. Исследование влияния химических добавок на свойства экологичного бетона с коллагеновым наполнителем // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2017. № 2(101). С. 13–17.
12. Иманов М.О., Иманов Е.К. Гранулированная гидрофобно-пластифицирующая добавка на основе отходов промышленности // Труды университета. 2017. № 1(66). С. 62–65.
13. Пупынина В.Д., Сидоров Н.А. Эффект автоактивизациигидрофобизированных цементов при хранении // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 01–20 мая 2019 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2019. С. 2585–2588.
14. Викторова Е.П., Лисовая Е.В., Свердличенко А.В., Жане М.Р. Влияние особенностей химического состава модифицированных лецитинов на их поверхностно-активные и эмульгирующие свойства // Новые технологии. 2023. Том 19, № 3. С. 48–57.
15. Лисовая Е.В., Викторова Е.П., Свердличенко А.В., Жане, М.Р. Исследование влияния особенностей химического состава фосфолипидов соевого лецитина на их полярность // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2023. №. 5 (194). С. 225–233. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2023-5-225-233
16. Лопанов А.Н., Фанина Е.А., Тихомирова К.В. Расчет свободной энергии поверхности углей донецкого бассейна и графитов // Химия твердого топлива. 2018. №. 1. С. 16–21.
17. Харламов В.А., Дементьев К.В., Лопанов А.Н., Сысоев П.И. Использование обеднённого лецитина как добавку, повышающую прочность бетона // Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология. Сборник докладов международной научной конференции. Белгород. 2023. С. 250–252.
