Yeni bir kitosan esaslı süperplastikleştiricinin sentezi ve çimento hamurundaki etkinliğinin araştırılması

Abstract

Süper akışkanlaştırıcı / yüksek oranda su azaltıcılar, düşük su/çimento (w/c) oranı ile betona yüksek oranda kıvam kazandıran, kıvamını koruyan, ürün tipine göre erken veya nihai dayanımları arttıran katkılardır. Sülfolanmış kitosanın (SCS) süperplastikleştirici olarak etkinliğinin incelenmesi ile ilgili literatürde sadece birkaç çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda SCS, polikarboksilat süperplastikleştiricilere (SPs) kıyasla özellikle çimento pastası akışkanlığı ve betonun çökme ile ilgili olarak daha iyi uygulama performansı sergilediği görülmüştür. Bu sonuçlardan yola çıkarak sülfolanmış kitosan-g-polietilenglikolmetakrilat (Sülfolanmış Kitosan-g-POEGMA) graft kopolimerlerinin de betonda süperplastikleştirici olarak, sudaki çözünür nitelikteki POEGMA yan dallarından dolayı çok daha iyi sonuç verebileceğini düşünerek, Sülfolanmış Kitosan-g-POEGMA graft kopolimerlerinin taze betonda kitosan esaslı yeni bir süperplastikleştirici olarak sentezlenmesi amaçlanmıştır. SCS, doğal yenilenebilir kaynaklardan üretilmiş ve biyobozunabilir olmasından dolayı gelecekte hazır beton endüstrisinde, beton katkı maddesi olarak kullanılması ve literatüre yenilik getirmesi bakımından önemlidir. Kitosan ve POEGMA esaslı Kitosan-g-POEGMA graft kopolimerleri serik amonyum nitrat (CAN) başlatıcı olarak kullanılarak redoks serbest radikal polimerizasyonu vasıtasıyla oligo (etilen glikol metil eter) metakrilatın (OEGMA) kitosan üzerine aşılanması yolu ile hazırlanmıştır. Kitosan-g-POEGMA, dumanlı sülfürik asit ile sülfolanmıştır. Elde edilen yapılar; FT-IR, 1H, 13C, HMBC, HSQC, DEPT, COSY NMR ve Elementel (kükürt) analizi ile karakterize edildi. Analiz sonuçlarına göre suda ki çözünürlük miktarı ve sülfat oranı en yüksek olan dumanlı sülfürik asit ile sülfolanmış kitosan ve sülfolanmış kitosan-g-POEGMA taze beton içerisindeki şahit betona karşı aynı dizayn ve slumpta, su azaltma özellikleri, kıvam kaybı, hava miktarı, birim ağırlığı ve 1, 3, 7, 28 günlük beton dayanım sonuçları incelenmiştir. Şahit betona göre; sülfolanmış graft %6, sülfolanmış kitosan %5 su kestiği görülmüştür. Şahit beton birim ağırlığı 2380 kg/m3, sülfolanmış graft 2395 kg/m3 ve sülfolanmış kitosan 2388 kg/m3 olduğu hesaplanmıştır. Şahit beton hava muhtevası %2, sülfolanmış graft %1.5, sülfolanmış kitosan %1.6 olarak ölçülmüştür. 28 günlük beton dayanım sonuçları, Şahit beton 30.1 N/mm2, sülfolanmış graft 34.7 N/mm2 ve sülfolanmış kitosan 33.8 N/mm2 olduğu tespit edilmiştir. Biyobozunur polimerden meydana gelen sülfolanmış Kitosan-g-POEGMA TS EN 934-2+A1 2013 standardına göre % 6 su azaltma miktarı ile Çizelge 2 (Su azaltıcı / akışkanlaştırıcı kimyasal katkılar) beton sınıfına girdiği görülmüştür.

Superplasticizer / high-range water reducers are additives that provide concrete with a higher level of consistency due to low water / cement (w/c) ratio, maintain consistency, increase the early- or final-strengths according to the product type. There are only a few works in the literature about the investigation of activity of sulphonated chitosan (SCS) as super plasticizer. In these works, SCS has been observed to show a better performance in terms of fluidity of cement paste and the spreading of concrete in comparison to poly carboxylate plasticizers. Based on these facts, considering that also sulphonated chitosan-g-Poly ethylene glycol methacrylate (Sulphonated Chitosan-g-POEGMA) graft copolymers may create much better results due to POEGMA sub-branches that can be dissolved in water as superplasticizers; we aimed to obtain a new chitosan based super plasticizer at synthesizing sulphonated chitosan-g-POEGMA graft copolymers in fresh concrete. Since SCS is produced from natural renewable sources and is biodegradable, in future, it is important to use it as a concrete admixture material in ready-mixed concrete industry and to bring innovation to the literature. Chitosan and POEGMA based Chitosan-g-POEGMA graft copolymers were prepared by redox free radical polymerization with revaccination of oligo (ethylene glycol methyl ether) (OEGMA) methacrylate on chitosan as using sericammonium nitrate as the initiator. The resulting copolymer was sulphated by sulphuric acid with fume (Oleum). The compounds were characterized by FT-IR, 1H, 13C, HMBC, HSQC, DEPT, COSY, NMR, and Elemental (sulphur) analysis. Plasticizing and water-cutting quality in the fresh cement properties have been examined. In accordance with the analysis results, the water-cutting, viscosity loss, air quantity, unit weight and 1-3-7-28 -day concrete durability properties of sulphonated chitosan and sulphonated chitosan-g-POEGMA by sulphuric acid with fume with the highest water solubility and sulphate content were analyzed in fresh concrete against the reference concrete in the same design and slump. Compared to the reference concrete; water-cutting of sulphonated graft was 6% and sulphonated chitosan was 5%. The unit weight of the reference concrete was calculated as 2380 kg/m3, sulphonated graft as 2395 kg/m3 and sulphonated chitosan as 2388 kg/m3. The air content of the reference concrete was measured as 2%, sulphonated graft as 1.5% and sulphonated chitosan as 1.6%. 28-day concrete durability results were determined as 30.1 N/mm2 for the reference concrete, 34.7 N/mm2 for sulphonated graft and 33.8 N/mm2 for sulphonated chitosan. In accordance with the TS EN 934-2+A1 2013 standard, sulphonated chitosan-g-POEGMA, consisting of biodegradable polymer, falls into the concrete class in Table 2 (Water reducer / plasticizer chemical admixtures) due to 6% water-cutting property.