تهیه میکروذرات ابرجاذب برای ساخت بتن با فراصوت‌دهی و بررسی عملکرد آن

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، صندوق پستی 115-14975

چکیده

فرضیه: پلیمرهای اَبَرجاذب مواد اصلاح‌کننده با کاربردهای گسترده هستند. یکی از کاربردهای این مواد در صنعت تولید بتن است. استفاده از این مواد برای آبدهی به مواد سیمانی و پخت آن‌ها بیش از یک دهه است که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از ابرجاذب‌ها در بتن روش ارزشمندی است، برای مناطقی که عمل‌آوری معمولی بسیار دشوار باشد، مانند شرایط آب‌و‌هوایی ناپایدار که می‌تواند به تبخیر بیش از حد و یخ‌زدگی منجر شود و باعث صرفه‌جویی در مصرف آب نیز می‌شود.
روش‌ها: میکروژل کربوپل (پلی‌آکریلیک اسید شبکه‌ای) اصلاح‌شده با مونومر پلی(اتیلن گلیکول) متیل اتر متاکریلات با وزن مولکولی 300 در مقادیر مختلف (1، 2 و 3g) و آغازگر آزوبیس‌ایزوبوتیرونیتریل با فراصوت‌دهی تهیه شد و خواص میکروژل تهیه‌شده و نیز اثر آن بر خواص سیمان بررسی شد. میکروژل تهیه‌شده با آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوپی الکترونی پویشی، تعیین اندازه ذره و خواص تورمی بررسی شد. همچنین اثر میکروژل تهیه‌شده بر خواص متفاوت سیمان مانند رئولوژی، استحکام فشاری و خمشی و آبدهی ارزیابی شد. 
یافته‌ها: نتایج FTIR و تصاویر میکروسکوپی نشان داد، اصلاح مونومرها انجام شده است. با توجه به نتایج تورمی مشاهده شد، کربوپل در آب و آب نمک هیچ جذبی ندارد و حل می‌شود. و پس از اصلاح نیز خاصیت تورمی و جذب حاصل شده است. ظرفیت تورم در آب و آب نمک با افزایش غلظت مونومر پلی‌اتری ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت. نتایج نمونه‌های سیمان نشان داد، استحکام فشاری نمونه سیمان در مجاورت کربوپل اصلاح‌شده با مونومر پلی‌اتری کاهش یافت. همچنین با مقایسه استحکام نمونه‌های تهیه‌شده و نمونه تجاری مشخص شد، نمک سدیم پلی‌آکریلیک اسید با نسبت آب به سیمان یکسان موجب افزایش استحکام فشاری نمونه شاهد شده است. استحکام خمشی نیز در تمام نمونه‌ها نسبت به نمونه مرجع کاهش یافت. با توجه به نتایج گران‌روی، میکروژل کربوپل با مونومر پلی‌اتری گران‌روی نمونه‌های سیمان را افزایش داد. با توجه به نتایج XRD آبدهی و پخت نمونه‌های دارای ابرجاذب نسبت به سیمان شاهد تا 28 روز ادامه داشت. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت، ابرجاذب‌ها در کل موجب تأخیر در آبدهی می‌شوند. همچنین آبدهی نمونه‌های دارای ابرجاذب با کاهش مقدار مونومر پلی‌اتری کاهش یافته است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Superabsorbent Microparticles for Production of Concrete Using Ultrasound: A Performance Study

نویسندگان [English]

  • mojdeh ashkani
  • Hossein Bouhendi
  • Mohammad Reza Rostami Daronkola
  • kourosh kabiri
  • Majid Ghiass
Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Superabsorbent polymers are modifiers that have broad applications. One of their applications is in concrete production industry. The use of these materials for supplying water to cement materials and their curing process has attracted the attention of researchers. Using SAPs in concrete is a valuable tool for areas where conventional curing is very difficult, such as extreme weather conditions that can lead to excessive evaporation and freezing. It also saves water.
Methods: Modified carbopol was prepared using poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate as a monomer with a molecular weight of 300 in amounts of 1, 2 and 3 g and with azobisisobutyronitrile (AIBN) as the initiator by ultrasound method. The properties of the prepared microgel and its effect on the properties of cement paste are investigated. The prepared microgel has been studied using FTIR analysis, scanning electron microscopy, particle size determination and swelling properties. In addition, the effect of prepared microgel on different properties of cement paste, such as rheology, compressive and flexural strength and hydration, is investigated.
Findings: The results of FTIR and microscopic images showed that the monomer was modified. According to the swelling results, it was observed that carbopol has no absorption and it is dissolved. After modification, the swelling and absorption properties are obtained. The swelling capacity in water and saline solution has increased first and then decreased with increasing monomer concentration. The resultant cement pastes show that the compressive strength of samples is decreased in the presence of modified carbopol. In addition, the strength of the cement paste prepared with commercial superabsorbent (polyacrylic acid sodium salt) has increased with the same water:cement ratio. The flexural strength is reduced in all samples compared to the reference. According to the results, the modified carbopol has increased the viscosity of the cement pastes. According to the XRD results, hydration and curing of samples with superabsorbent have completed within 28 days compared to the control cement. Therefore, it can be concluded that superabsorbents generally cause a delay in hydration, and besides the hydration of the superabsorbent-cement specimens is decreased by reducing the monomer.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbopol
  • polyethylene glycol methyl ether methacrylate
  • ultrasound
  • cement
  • curing

مراجع

  1. Molyneux P., Water-Soluble Synthetic Polymers: Properties and Behavior, CRC, Boca Raton, 1st ed., 1983.
  2. Zohuriaan-Mehr M.J., Pourjavadi A., Salimi H., and Kurdtabar M., Protein- and Homo Poly(amino acid)-Based Hydrogels with Super- Swelling Properties, Adv. Technol., 20, 655-671, 2009.
  3. Guilherme M.R., Aouada F.A., Fajardo A.R., Martins A.F., Paulino A.T., Davi M.F.T., Rubira A.F., and Muniz E.C., Superabsorbent Hydrogels Based on Polysaccharides for Application in Agriculture as Soil Conditioner and Nutrient Carrier: A Review, Polym. J., 72, 365-385, 2015.
  4. Gujarathi N.A.., Rane B.., and Patel J.K., pH Sensitive Polyelectrolyte Complex of O-Carboxymethyl Chitosan and Poly(acrylic acid) Cross-Linked with Calcium for Sustained Delivery of Acid Susceptible Drugs, Int. J. Pharm., 436, 418-425, 2012.
  5. García-González N., Kellaway I.W., Blanco-Fuente H., Anguiano-Igea S., Delgado-Charro B., Otero-Espinar F.J., and Blanco-Méndez J., Design and Evaluation of Bucco Adhesive Metoclopramide Hydrogels Composed of Poly(acrylic acid) Crosslinked with Sucrose, J. Pharm., 100, 65-70, 1993.
  6. Almeida F.C. and Klemm A.J., Efficiency of Internal Curing by Superabsorbent Polymers (SAP) in PC-GGBS Mortars, Concr. Compos., 88, 41-51, 2018.
  7. Schröfl C., Erk K.A., Siriwatwechakul W., Wyrzykowski M., and Snoeck D., Recent Progress in Superabsorbent Polymers for Concrete, Concr. Res., 151, 106648, 2022.
  8. Mechtcherine V., Wyrzykowski M., Schr¨ofl C., Snoeck D., Lura P., De Belie N., Mignon A., Van Vlierberghe S., Klemm A.J., Almeida F.C., and Ten´orio Filho J.R., Application of Super Absorbent Polymers (SAP) in Concrete Construction-Update of RILEM State-of-the-Art Report, Struct., 54, 1-20, 2021.
  9. Sun B., Wu H., Song W., LI Z., and Yu J., Hydration, Microstructure and Autogenous Shrinkage Behaviors of Cement Mortars by Addition of Superabsorbent Polymers, Struct. Civ. Eng., 14, 1274-1284, 2020.
  10. Kalinowski M., Woyciechowski P., and Sokołowska J., Effect of Mechanically-Induced Fragmentation of Polyacrylic Superabsorbent Polymer (SAP) Hydrogel on the Properties of Cement Composites, Build. Mater., 263, 120135, 2020.
  11. Rostami Daronkola M. R. and Fallah M., Synthesis of Branched Polymers and Dispersion of Silica Nanoparticles and the Effect of Their Interaction on Hydrated Cement Morphology, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 239-250, 2018.
  12. Mahdikhani M., Karimnezhad M.H., Gena’at F., and Ghasemzade H., Investigation on Using Superabsorbent Polymer Materials on Fresh and Hardened Properties of Concretes, The Fourth Annual National Conference of Iran-Tehran Concrete, 2012.
  13. Weber S. and Reinhardt H.W., A New Generation of High Performance Concrete: Concrete with Outogenous Curing, Cem. Bas. Mater., 6, 59-68, 1997.
  14. Ramachandran V.S., Concrete Admixtures Handbook: Properties, Science, and Technology, Noyes, Park Ridge, 1995.
  15. Siriwatwechakul W., Siramanont J., and Vadakan W.V., Superabsorbent Polymer Structures; International RILEM Conference on Use of Superabsorbent Polymers and Other New Additive in Concrete, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark., 2010.
  16. Almeida F.C., Rostami R., and Klemm A.J., Characterization of Polyacrylamide Based Superabsorbent Polymers for Potential Use in PC Matrices with Supplementary Cementitious Materials, Proceedings of the MATEC Web of Conferences 199, EDP Sciences, 02023, 2018.
  17. Jensen O.M. and Hansen P.F., Water-Entrained Cement-Based Materials I. Principles and Theoretical Background, Concr. Res., 31, 647-654, 2001.
  18. Rostami R., Klemm A.J., and Fernando C.R.A., Effect of Superabsorbent Polymers on Microstructure and Strength of Blended Cements Mortars Reinforced by Polymeric Fibre, Cement, 9, 100041, 2022.
  19. Farzanian K., Pimenta Teixeira K., Perdigão Rocha I., De Sa Carneiro L., and Ghahremaninezhad A., The Mechanical Strength, Degree of Hydration, and Electrical Resistivity of Cement Pastes Modified with Superabsorbent Polymers, Build. Mater., 109, 156-165, 2016.
  20. Wang L., Guan G., and Wang J., A New Superabsorbent Based on the Poly(itaconic acid)/Poly(sodium allyl sulfonate) Polymer Network for Application in Concrete as an Internal Curing Agent, Polym. J., 30, 1149-1158, 2021.
  21. Dang J., Zhao J., Miao W., and Du Zh., Effect of Superabsorbent Polymer on the Shrinkage and Crack Resistance of Concrete at Early Age, Polym J., 27, 349-358, 2018.
  22. Varid V., Mohammadi M., Bouhendi H., and Kabiri K., The Absorption of Alcohol and Saline Solution by Carbopol Grafted with 2-Acrylamido-2-Methylpropane Sulfonic Acid Prepared through Ultrasonic Method, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 255-266, 2019.
  23. Ashkani M., Bouhendi H., Kabiri K., and Rostami M.R., Synthesis of Poly(2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid) with High Water Absorbency and Absorption under Load (AUL) as Concrete Grade Superabsorbent and Its Performance, Build. Mater., 206, 540-551, 2019.
  24. Snoeck D., Velasco L.F., Mignon A., Van Vlierberghe S., Dubruel P., Lodewyckx P., and De Belie N., The Effects of Superabsorbent Polymers on the Microstructure of Cementitious Materials Studied by Means of Sorption Experiments, Concr. Res., 77, 26-35, 2015.
  25. Ashkani M., Kabiri K., Salimi A., and Bouhendi H., Modification of Rice Husk with Glycidyl Crosslined Microgel Latex for Preparation of Hybrid Hydrogel, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 129-141, 2018.
  26. Mechtcherine V., Snoeck D., Schr¨ofl C., De Belie N., Klemm A.J., Ichimiya K., Moon J., Wyrzykowski M., Lura P., Toropovs N., and Assmann A., Testing Superabsorbent Polymer (SAP) Sorption Properties prior to Implementation in Concrete: Results of a RILEM Round-Robin Test, Struct., 51, 28, 2018.
  27. Snoeck D., Schaubroeck D., Dubruel P., and De Belie N., Effect of High Amounts of Superabsorbent Polymers and Additional Water on the Workability, Microstructure and Strength of Mortars with a Water-to-Cement Ratio of 0.50, Build. Mater., 72,148-157, 2014.
  28. Secrieru E., Mechtcherine V., Schr¨ofl C., and Borin D., Rheological Characterisation and Prediction of Pumpability of Strain-Hardening Cement-Based-Composites (SHCC) with and without Addition of Superabsorbent Polymers (SAP) at Various Temperatures, Build. Mater., 112, 581-594, 2016.
  29. Rostami Daronkola M.R., Synthesis and Characterization of Quaternary Polymers as Superplasticizer and Assessing Their Effectiveness on Micronized Cement Particles, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 30, 221-233, 2017.
  30. Mechtcherine V., Gorges M., Schroefl C., Assmann A., Brameshuber W., Ribeiro A.B., Cusson D., Cust´odio J., Da Silva E.F., Ichimiya K., and Igarashi S.I., Effect of Internal Curing by Using Superabsorbent polymers (SAP) on Autogenous Shrinkage and other Properties of a High-Performance Fine-Grained Concrete: Results of a RILEM Round-Robin Test, Struct., 47, 541-562, 2014.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 36، شماره 1 - شماره پیاپی 183
فروردین و اردیبهشت 1402
صفحه 61-72

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار