Использование молочной сыворотки в строительстве

15-05-2014, 15:43

Известно, что в строительстве для получения хорошо обрабатываемой и удобоукладываемой бетонной смеси в качестве добавок используют различные гидрофилизирующие поверхностно-активные вещества (ПАВ): сульфитно-дрожжевую бражку, сульфитно-спиртовую бражку, сахар, казеин, крахмал и др. Из древних манускриптов известно, что при строительстве сооружений из камня его скрепляли известью, замешанной на молочной сыворотке и яйцах. Этот же рецепт применяли при отделке куполов церквей и храмов. На сайте Википедии в открытой страничке «Молочная сыворотка» указано на возможность применения объекта монографии при получении самана.
Сотрудники кафедры химии Пензенского инженерно-строительного института: канд. техн. наук Н.А. Козлова и инж. Л.А. Орлова под руководством зав. кафедрой, доктора техн. наук, профессора П.Р. Таубе по собственной инициативе провели специальную поисковую научно-исследовательскую работу по вопросу возможности применения молочной сыворотки в качестве добавки при изготовлении бетонов и растворов. Работа, по рекомендации известного сыродела, проф. А. И. Чеботарева (ВМИ), проводилась в творческом сотрудничестве с СКФ ВНИИМС (А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко). Были проведены консультации по молочной сыворотке, поставке образцов и обсуждению результатов. Результаты работы были запатентованы, широко опубликованы в специальной литературе по строительству и апробированы на практике. Учитывая уникальность разработок и возможную их перспективу, ниже кратко излагаются некоторые результаты — для информации и подтверждения феномена молочной сыворотки.
Молочная сыворотка, с точки зрения стройиндустрии, является типичным гидрофили-зирующим поверхностно-активным веществом. Химический состав сыворотки позволяет предполагать возможность ее применения в качестве добавки к строительным растворам и бетонам с целью регулирования реологических свойств, замедления процессов схватывания и твердения, смачивания гидрофобизированной алюминиевой пудры, используемой при производстве газобетона и возможно других целей.
В исследованиях по изучению влияния молочной сыворотки на свойства растворов и бетонов использовали следующие материалы: волховский, воскресенский и Вольский портландцементы марок 400 и 500, песок Сурского (Мкр 1,5-1,6) и Тучковского (Мкр 2,1-2,2) карьеров, щебень Академического (фракции 5-20 мм) и Хомяковского (фракции 5 40 мм) карьеров, молотая негашеная известь (Sуд - 4200 см2/г) Куроедовского месторождения, строительный гипс I сорта, молочная сыворотка Пензенского, Люберецкого и Черкизовского (г. Москва) молочных заводов.
Было установлено, что добавка молочной сыворотки увеличивает время схватывания цементного теста нормальной густоты на 2-4 ч. Так, если конец схватывания цементного теста нормальной густоты без добавок для воскресенского, Вольского и волховского портландце-ментов наступает соответственно через 4 ч 15 мин, 5 ч 15 мин и 5 ч, то с добавкой 2% молочной сыворотки (от массы вяжущего вещества) — через 8 ч, 7 ч 30 мин и 9 ч. В том случае, если молочную сыворотку добавлять не в воду затворения, а непосредственно в строительный раствор или бетонную смесь, через несколько часов после их приготовления, замедляющее действие проявляется еще сильнее. Например, добавка сыворотки к строительным растворам через 4-6 ч после затворения позволяет сохранять их подвижность, в зависимости от количества добавки и температуры окружающей среды, в течение 1-3 сут. Следовательно, молочную сыворотку можно использовать как эффективный заменитель схватывания при хранении и перевозках бетонных смесей и строительных растворов на большие расстояния, особенно в летнее время года. Замедляющее действие молочной сыворотки объясняется тем, что в ее состав входит молочный сахар (лактоза), а сахаросодержащие вещества, как известно, являются эффективными замедлителями схватывания и твердения цементных растворов.
Кинетика структурообразования цементного теста с добавками молочной сыворотки и без нее показана на рис. 22.1.

Творожная и подсырная сыворотки оказывают одинаковое влияние на растворные и бетонные смеси. Оптимальное количество сыворотки составляет 1,5-3% от массы цемента. Соленая молочная сыворотка, так же, как творожная и подсырная, является хорошим пластификатором, но в отличие от них, в меньшей степени замедляет процессы схватывания и твердения. Например, добавка 2 % творожной сыворотки увеличивает срок схватывания воскресенского портландцемента на 3 ч 15 мин, тогда как добавка 2 % соленой сыворотки — на 1 ч 40 мин.
Молочная сыворотка обладает свойствами поверхностно-активного вещества. Поверхностное натяжение водных растворов молочной сыворотки на 13-17 мН/м меньше поверхностного натяжения чистой воды. Подобно другим поверхностно-активным веществам гидрофильного типа, сыворотка должна вызывать пептизацию агрегатов новообразований цемента. Исследование влияния молочной сыворотки на дисперсность цементной суспензии было проведено седиментационным методом. В качестве седиментационной среды использовался абсолютный спирт. Анализ суспензии проводился при 20 °С. Результаты исследований представлены в табл. 22.1.

Анализ табл. 22.1 показал, что через час после затворения водой цементно-водная суспензия содержит около 10% частиц с размером менее 10 мкм, в присутствии же молочной сыворотки таких частиц оказывается около 40 %. Следовательно, сыворотка способствует диспергированию агрегатов новообразований.
Промышленные испытания по использованию молочной сыворотки в строительстве были проведены на Московском заводе ЖБИ-7, где было изготовлено более 50 000 м3 бетона. Для изготовления бетона марок 200 и 300 использовали составы бетонных смесей, наиболее часто применяемые на практике. Результаты испытаний показали, что молочная сыворотка в количестве 1,5-3% способствует приросту прочности бетона на 10-15% как после тепловой обработки, так и после 28 сут. естественного твердения. Бетонные смеси с добавкой имеют в 1,5-2 раза большую осадку конуса, чем смеси без добавок. Молочная сыворотка снижает водопотребность бетонной смеси на 5-10% при сохранении одинаковой подвижности, это позволяет уменьшить расход цемента на 5-7 %. Кроме того, она не снижает морозостойкости бетона, не вызывает коррозии арматуры.
Для замедления процесса гашения извести можно также использовать молочную сыворотку. Если скорость гашения извести, определяемая по стандартной методике, составляет 30 мин, то с добавкой 2% сыворотки она увеличивается до 70 мин, а при добавке 4% молочной сыворотки — до 120 мин. При этом температура смеси, развивающаяся при гашении, значительно снижается по сравнению с обычным способом гашения.
Молочная сыворотка в меньшей степени снижает прочность автоклавных изделий на основе извести, чем применяемая в настоящее время сульфитно-дрожжевая бражка. Предел прочности при сжатии известково-песчаных образцов (3x3x3 см, состава 1:3), полученных на основе извести, гасящейся без введения добавок, составляет после их автоклавной обработки 12 МПа; при введении в процессе гашения 1 % сульфитно-дрожжевой бражки она снижается до 5,2 МПа, а при введении 2 и 4% молочной сыворотки прочность образцов составляет соответственно 11,5 и 10 МПа.
Молочную сыворотку можно использовать также для замедления сроков схватывания гипса: если без добавок конец схватывания гипсового теста наступает через 9 мин, то с добавками 4 и 8% молочной сыворотки — соответственно, через 20 и 38 мин.
Так как молочная сыворотка обладает поверхностно-активными свойствами, она была испытана вместо таких поверхностно-активных веществ, как сульфонол, хозяйственное мыло и др. для смачивания гидрофобинизированной алюминиевой пудры, используемой как газообразователь при производстве газобетона. Количество молочной сыворотки составило 35-50% от массы пудры. Результаты испытаний на Пензенском заводе крупнопанельного домостроения показали, что молочная сыворотка не ухудшает качественных показателей газобетона. Водопоглащение газобетона не повышается, морозостойкость не снижается. Прочность газобетона с добавкой молочной сыворотки несколько выше, чем с добавкой сульфонола. Так, предел прочности при сжатии образцов газобетона с объемным весом 700-750 кг/м3 и размером 10x10x10 см с добавкой сульфанола составляет 5,5 МПа, а с добавкой молочной сыворотки — 6,5 МПа.
Экспериментально установлено, что как свежая сыворотка, так и после месячного хранения, сыворотка различных молочных заводов, а также сухая (после растворения в воде) оказывают одинаковое влияние на растворные и бетонные смеси. Она легко дозируется, имеет в сравнении с другими поверхностно-активными веществами меньшую стоимость. Использование молочной сыворотки в строительных растворах и бетонах дает заметный экономический эффект. При изготовлении 30 тыс.м3 бетона на заводе ЖБИ-7 (г. Москва) экономия цемента составила 448 т.