Патент на изобретение №2360880
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СУПЕРПЛАСТИФИКАТОР ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к суперпластифицирующей добавке для бетона и других цементных смесей с высокой способностью роста прочности и низким воздухововлекающим эффектом, представляющей собой тройной сополимер смеси мономеров, имеющих соответствующие структурные формулы, и к цементным смесям, содержащим эту добавку. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат – обеспечение низкого воздухововлекающего эффекта, получение высокой начальной прочности цементных смесей. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 табл.
Область техники Настоящее изобретение относится к новому суперпластификатору для бетона и других цементных материалов, способному значительно увеличивать начальную обрабатываемость смесей в свежий и пластический периоды и, в то же время, развивать высокую начальную механическую прочность без какого-либо замедления гидратации на стадии твердения. Благодаря этим характеристикам с новым суперпластификатором по настоящему изобретению возможно отливать бетонные смеси, характеризующиеся высокой текучестью и очень низким количеством воды для затворения, которые твердеют очень быстро, даже в неблагоприятных климатических условиях, таких как условия, характеризуемые низкими температурами, типичными для зимнего времени. Более конкретно, настоящее изобретение относится к суперпластификатору с вышеуказанными свойствами, который далее характеризуется внутренним низким воздухововлекающим эффектом. Уровень техники Суперпластификаторы широко применяют в строительной области. Их добавление в свежеприготовленный бетон заметно изменяет реологические свойства, приводя к резкому снижению вязкости цементных смесей и более легкому литью бетона, даже в случае компактных и сложных армированных смесей. Действительно, текучий бетон может быть легко закачан и полностью заполняет все части формы под действием собственной массы, тем самым, снижая или полностью исключая дорогую и сложную работу по механической вибрации. Кроме того, при использовании суперпластификаторов возможно значительно снизить, более чем на 20%, количество затворяющей воды, при этом еще имея смеси, характеризующиеся высокой текучестью. Таким образом, возможно легко отливать плотные, текучие бетонные смеси с пониженным количеством затворяющей воды (низкое отношение вода-цемент), которые, затвердев, характеризуются очень высокой механической прочностью. Традиционные суперпластификаторы основаны на продуктах конденсации солей нафталинсульфокислоты с формальдегидом (НСФК) и продуктах конденсации меламинсульфоната с формальдегидом (МСФК). Эти суперпластификаторы, вместе с модифицированным лигносульфонатом (ЛГС), разрабатывались во второй половине 20 века и представляли суперпластификаторы 1-го и 2-го поколения. Эти суперпластификаторы обладают пониженной текучестью и, следовательно, их требуется добавлять в бетонные смеси в относительно больших количествах для того, чтобы произвести адекватное снижение количества затворяющей воды. Эти аспекты делают применение суперпластификатора менее привлекательным и представляли один из главных факторов, которые препятствовали применению суперпластификаторов в прошлом. В последние 20 лет 20 века разрабатывался новый класс суперпластификаторов на основе гидрофильных сополимеров солей (мет)акриловой кислоты и эфиров (мет)акриловой кислоты. Первый пример этих суперпластификаторов, названных «поликарбоксилаты», описан в патенте Японии JP 58-74552, где заявлен суперпластификатор, полученный сополимеризацией а) (мет)акриловой кислоты с б) моно(мет)акрилатом метоксиполиэтиленгликоля. Мономер (б) может быть легко получен методами, известными в технике, такими как методы, описанные в патентах США 2815369, 3041371 и 3989740, этерификацией (мет)ариловой кислоты монометоксиполиоксиэтиленгликолем в присутствии подходящих растворителей, катализаторов этерификации или перэтерификации и ингибиторов полимеризации. Новый класс поликарбоксилатных суперпластификаторов характеризуется гораздо более высокой эффективностью в снижении вязкости и количества затворяющей воды бетонных смесей по сравнению с прежними суперпластификаторами на основе нафталинсульфоната, меламинсульфоната и лигносульфоната. Длинные полиоксиэтиленовые цепи в макромолекуле отвечают за лучшие характеристики поликарбоксилатных суперпластификаторов поскольку они лучше стабилизируют и диспергируют цементные частицы в свежей смеси по механизму, называемому «пространственный эффект», гораздо более эффективному по сравнению с менее эффективным механизмом «электростатический эффект» предшествующих суперпластификаторов, как утверждают Хучикава и коллеги (H.Huchikawa et al. Тем не менее, применение суперпластификатора третьего поколения, описанного в патенте Японии JP 58-74552, само по себе не свободно от недостатков. Действительно, поликарбоксилатные суперпластификаторы из-за их поверхностной активности имеют сильную тенденцию вовлекать в бетон пузырьки воздуха во время перемешивания. Как следствие, нерегулируемое вовлечение пузырьков воздуха может производить вредные воздействия на рост механической прочности и на вид бетона. Для того чтобы преодолеть эти недостатки, с суперпластификаторами третьего поколения часто смешивают пеногасители, но поскольку эти вещества нерастворимы в воде, они имеют тенденцию выделяться из раствора полимера и, следовательно, их эффективность снижается при хранении. В действительности, слабопенящиеся суперпластификаторы третьего поколения описаны в патентах США 5362324 и 6139623, относящихся к полимерам, в которых пеногаситель связан с цепью полимера. Таким образом, пеногаситель стабилизируется в растворе полимера и пеногасящая способность поддерживается в течение более длительного времени. В итоге, пеногасящая способность этих полимеров может быть затем улучшена добавлением внешних пеногасителей, характеризующихся высокой стабильностью в растворе полимера. В частности, патент США 5362324 описывает суперпластификатор с низкой воздухововлекающей способностью, получаемый тройной сополимеризацией мономеров, имеющих следующие формулы
где Z – H, Na, Li,
где W=-(CH2-CH2-O)n-CH3, n – целое число от 8 до 50 и Х – Н или CH3; эти мономеры включают (мет)акрилат монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса от 200 до 2000; и
где
и m – целое число от 2 до 50. Эти мономеры предпочтительно представлены ди(мет)акрилатом полипропиленгликоля с молекулярным весом приблизительно от 280 до 3100, т.е. с числом звеньев m от 2 до 50. Вторым недостатком поликарбоксилатных суперпластификаторов является их эффект в снижении скорости гидратации цемента, более очевидный, когда их применяют в более высоких дозах и в неблагоприятных климатических условиях, таких как условия, характеризующиеся низкими температурами, типичными для зимнего времени. Этот аспект представляет ограничение для их применения из-за медленного роста механической прочности в первые часы гидратации. Для того чтобы преодолеть этот недостаток в коммерческие продукты вводили ускоряющие добавки, такие как нитрат кальция и алканоламины, но этот раствор имеет практические ограничения: плохую стабильность образующихся смесей и коммерческие недостатки: более высокие количество и стоимость. Эти недостатки становятся очевидными даже при применении вышеуказанных продуктов, описанных в патенте США 5362324. Сущность изобретения Настоящее изобретение относится к новому водорастворимому или вододиспергируемому полимеру, который не замедляет скорость гидратации цемента и, следовательно, не мешает росту механической прочности цемента в начальный период. Благодаря этим характеристикам с новым суперпластификатором по настоящему изобретению возможно отливать бетонные смеси, характеризующиеся высокой текучестью и очень низким количеством затворяющей воды, которые очень быстро твердеют даже в неблагоприятных климатических условиях, таких как условия, характеризующиеся низкими температурами, типичными для зимнего времени. Кроме того, новые суперпластификаторы по настоящему изобретению характеризуются низким воздухововлекающим эффектом, даже в отсутствие внешних пеногасителей. Новые суперпластификаторы по настоящему изобретению получают тройной сополимеризацией следующих мономеров
где Z – H, Na, Li,
где W=-(CH2-CH2-O)n-CH3, n – целое число примерно от 51 до 300 и Х – Н или CH3; эти мономеры включают (мет)акрилат монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса примерно от 2000 до 13000; и
где
и m – целое число от 2 до 50. Эти мономеры предпочтительно представлены ди(мет)акрилатом полипропиленгликоля с молекулярным весом приблизительно от 280 до 11800, т.е. с числом звеньев m от 2 до 200. Подробное описание изобретения Полимеры по настоящему изобретению отличаются от полимеров предшествующего уровня техники и, особенно, от полимеров, описанных в патенте США 5362324, боковой полиоксиэтиленовой цепью (мет)акрилата монометилполиэтиленгликоля. В указанном патенте число n повторяющихся этиленоксидных звеньев формулы (II) является целым числом от 8 до 50, в то время как в настоящем изобретении число n повторяющихся этиленоксидных звеньев формулы (V) является целым числом от 51 до 300. Неожиданно найдено, что длина боковых цепей мономера формулы (V) является фундаментальным параметром в определении скорости гидратации цемента и, следовательно, роста механической прочности. С мономером формулы (II), который характеризуется короткой боковой цепью (n – целое число меньше 50), добавление суперпластификатора отрицательно влияет на скорость гидратации, как в случае полимеров, описанных в патенте США 5362324. С другой стороны, с мономером формулы (V) по настоящему изобретению, который характеризуется длинной боковой цепью (n – целое число больше примерно 50), добавление суперпластификатора меньше влияет на скорость гидратации, как в случае полимеров, описанных в патенте США 5362324, и отверждение цемента происходит очень быстро даже в неблагоприятных климатических условиях, таких как условия, характеризующиеся низкими температурами, типичными для зимнего времени. Положительные влияния на рост механической прочности становятся очевидными, когда число n повторяющихся этиленоксидных звеньев формулы (V) является целым числом больше 50, но лучшие результаты по росту механической прочности получают, когда n в формуле (V) является целым числом больше 90. Мономеры формул (IV), (V) и (VI) по настоящему изобретению могут соединяться в различных отношениях. Хотя возможно много комбинаций, но наблюдали, что лучшие результаты по начальному росту механической прочности и воздухововлекающему эффекту получают, когда количество акриловых мономеров (IV) и (V) составляет от 90 до 99,9% полимеризуемой массы, а количество мономера (VI) составляет от 0,1 до 10% полимеризуемой массы. В свою очередь, для того, чтобы получить лучшие результаты по росту механической прочности весовое отношение между акриловыми мономерами (IV) и (V) должны быть в интервале от 0,05 до 0,5. Различные мономеры могут быть полимеризованы любым свободно-радикальным способом, известным в технике, таким как способы, описанные в Круг и характеристики полимеров по настоящему изобретению далее детализируются следующими примерами. Пример 1 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 270 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 180 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 4468, 4,56 г диметакрилата полипропиленгликоля молекулярного веса 861, 22,65 г метакриловой кислоты, 180 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор в течение пяти часов. В среднем, 30 г 10% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 40 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 730 г раствора полимера, содержащего примерно 30% твердого вещества. Пример 2 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и холодильником, загружают 270 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 150 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 10188, 3,9 г диметакрилата полипропиленгликоля молекулярного веса 861, 23,3 г метакриловой кислоты, 204,5 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор в течение пяти часов. В среднем, 30 г 10% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 40 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 725 г раствора полимера, содержащего примерно 30% твердого вещества. Пример 3 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и холодильником, загружают 200 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 187,3 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 2368, 4,8 г диметакрилата пропиленгликоля молекулярного веса 861, 32,7 г метакриловой кислоты, 75 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор за пять часов. В среднем, 330 г 1% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 55 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 887 г раствора полимера, содержащего примерно 35% твердого вещества. Сравнительный пример 1 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 200 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 216 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 818, 6 г диметакрилата пропиленгликоля молекулярного веса 861, 60 г метакриловой кислоты, 30 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор в течение пяти часов. В среднем, 330 г 1% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 100 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 945 г раствора полимера, содержащего примерно 30% твердого вещества. Сравнительный пример 2 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 270 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 180 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 4468, 22,65 г метакриловой кислоты, 180 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор в течение пяти часов. В среднем, 30 г 10% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 40 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 730 г раствора полимера, содержащего примерно 30% твердого вещества. Сравнительный пример 3 В стеклянный круглодонный реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают 200 г воды. Систему продувают азотом и нагревают до 90°С. Смесь 216 г метакрилата монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса 818, 60 г метакриловой кислоты, 30 г воды и 2,7 г меркаптопропионовой кислоты добавляют в реактор в течение пяти часов. В среднем, 330 г 1% раствора Na2S2O8 добавляют из делительной воронки в реакционную смесь в течение пяти часов. После завершения добавления полимеризованную реакционную смесь нейтрализуют примерно 100 г 30% раствора NaOH. Получают примерно 945 г раствора полимера, содержащего примерно 30% твердого вещества. Пример 4 В этом примере результаты испытаний бетона, полученного с применением полимеров по настоящему изобретению, приготовленных в Примерах 1 и 3, сравнивают с результатами, полученными с полимером Сравнительного Примера 1, приготовленного согласно патенту США 5362324. Все бетонные смеси получали с одними и теми же соотношениями вода/цемент и агрегат/цемент. Максимальный диаметр крупного агрегата 20 мм. Все бетонные смеси отверждали в 150-мм кубических формах из нержавеющей стали как при низкой температуре (5°С), так и в нормальных лабораторных условиях (20°С). В испытаниях применяли два различных цемента: 1) портландцемент типа III согласно ASTM C-150 (CEM I 52.5R согласно ENV 197/1); 2) портландцемент типа I согласно ASTM C-150 (CEM IV/A 42.5 согласно ENV 197/1). Удельную работу разрыва образцов, отвержденных при низкой температуре (5°С), измеряли через 24 часа отверждения в испытаниях с портландцементом типа III и через 48 часов в испытаниях с портландцементом типа I, в то время как удельную работу разрыва образцов, отвержденных при нормальных лабораторных условиях (20°С), измеряли через 28 дней отверждения для обоих испытанных цементов. Сравнительные результаты испытаний бетона приведены в следующих Таблице 1 для цемента типа III и Таблице 2 для цемента типа I.
Результаты испытания бетона в Таблице 1 и Таблице 2 ясно показывают, что суперпластификаторы по настоящему изобретению (Примеры 1 и 3) обладают способностью значительно ускорять рост механической прочности в начальный период в условиях низкой температуры отверждения по сравнению с суперпластификаторами Сравнительного примера 1, описанными в патенте США 3562324. В частности, суперпластификатор Примера 1, который характеризуется более высоким значением n в формуле (V) (n=100), развивает более раннюю механическую прочность при низкой температуре по сравнению с суперпластификатором Примера 3, который характеризуется более низким значением n (n=52), подтверждая тот факт, что молекулярный вес боковых цепей формулы (V) является фундаментальным параметром в определении скорости гидратации и, следовательно, роста механической прочности. Этот аспект является аспектом первостепенной важности в тех применениях, в которых бетон разливают в холодном климате и необходимо достичь механической прочности за короткое время. Величины конечной механической прочности через 28 дней затвердевания в нормальных условиях весьма похожи для каждого из испытанных цементов, подтверждая, что наступление механической прочности суперпластификатора по настоящему изобретению ускоряется в ранний период старения. Пример 5 В этом примере результаты испытаний строительных растворов, полученных с применением полимеров по настоящему изобретению, полученных согласно Примерам 1 и 2, сравнивают с результатами, полученными с применением полимера Сравнительного примера 1, полученного по патенту США 5362324. Все строительные растворы получали с применением портландцемента типа III согласно ASTM C-150 (CEM I 52.5R согласно ENV 197/1). Различные цементные смеси получали по методу ENV 196/1 с одинаковым соотношением В/Ц=0,39 и кондиционированием всех сырьевых материалов (цемента, нормализованного песка и воды) при 10°С перед использованием. Эффективность различных полимеров в качестве суперпластификаторов оценивали, измеряя растекание свежего строительного раствора (тест откидного стола) согласно методу UNI 7044 при одинаковом количестве полимеров (0,25% в виде сухой примеси в расчете на массу цемента). В этих условиях способность к обработке различных строительных растворов составляет 125-135%. Рост механической прочности в начальный период измеряли после твердения строительных растворов при низкой температуре (10°С) в стальных призматических формах (40×40×160 мм) в течение 14, 16 и 18 часов. Сравнительные результаты испытаний строительных растворов приведены в следующей Таблице 3.
Результаты испытаний строительных растворов показывают, что полимер Примера 1 по настоящему изобретению, характеризуемый величиной n=100 в формуле (V), увеличивают механическую прочность в начальный период в холодном климате (10°С) в среднем примерно в шесть раз по сравнению с полимером Сравнительного примера 1, в то время как полимер Примера 2 по настоящему изобретению, характеризуемый величиной n=230 в формуле (V), увеличивает механическую прочность в начальный период в холодном климате (10°С) в среднем примерно в семь раз, подтверждая тот факт, что молекулярный вес боковых цепей формулы (V) является фундаментальным параметром в определении скорости гидратации цемента и, следовательно, роста механической прочности в начальный период. Пример 6 Полимер Примера 4 по настоящему изобретению сравнивали в испытаниях строительных растворов с суперпластификатором Сравнительного примера 2. Результаты представлены в Таблице 4. Строительные растворы получали с применением портландцемента типа III согласно ASTM C-150 (CEM I 52.5R согласно ENV 197/1). Различные цементные смеси получали по методу ENV 196/1 с одинаковым соотношением В/Ц=0,39. Поведение различных полимеров оценивали, измеряя растекание свежих строительных растворов (тест откидного стола) согласно методу UNI 7044, a воздухововлекающий эффект согласно DIN 18555 при одинаковом количестве полимеров (0,25% в виде сухой примеси в расчете на массу цемента).
Результаты испытаний строительных растворов указывают, что присутствие третьего мономера, представленного ди(мет)акрилатом полипропиленгликолем, является существенным в получении суперпластификаторов по настоящему изобретению, характеризующихся низким воздухововлекающим эффектом и высокой начальной механической прочностью.
Формула изобретения
1. Суперпластифицирующая добавка для бетона и других цементных смесей с высокой способностью роста прочности и низким воздухововлекающим эффектом, включающая тройной сополимер следующей смеси мономеров, соответственно имеющих формулы IV, V и VI 2. Суперпластифицирующая добавка по п.1, в которой мономером формулы V является (мет)акрилат монометилполиэтиленгликоля молекулярного веса от примерно 2000 до примерно 13200. 3. Суперпластифицирующая добавка по п.1, в которой мономером формулы VI является ди(мет)акрилат полипропиленгликоля молекулярного веса от примерно 280 до примерно 11800. 4. Суперпластифицирующая добавка по п.1, в которой количество мономеров (IV) и (V) изменяется от 90 до 99,9 мас.% и количество мономера (VI) изменяется от 0,1 до 10 мас.%. 5. Суперпластифицирующая добавка по п.1, в которой весовое отношение между мономерами (IV) и (V) изменяется от 0,05 до 0,5. 6. Цементные смеси, содержащие от 0,01 до 3,00 мас.% суперпластифицирующей добавки по п.1 в расчете на цемент.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
517
Effect of Electrostatic and Steric repulsive Force of Organic Admixture on the Dispersion of Cement Particles in Fresh Cement Paste
, Proceedings of 10th International Congress on the Chemistry of Cement, vol.3, 3iii001, 1997). Более высокая диспергирующая активность поликарбоксилатных суперпластификаторов позволяет существенно уменьшить дозировку по сравнению с суперпластификаторами первого и второго поколения для того, чтобы достичь той же самой текучести свежей бетонной смеси (больше 60% уменьшения) при соответствующем снижении общих затрат на бетон. По этим причинам применение поликарбоксилатных суперпластификаторов получило широкое распространение в последнее десятилетие и этот новый класс полимеров определяют как третье поколение суперпластификаторов.
Ca и X – H или CH3,
,
,
