Архитектурно-строительный факультет
Кафедра технологии строительных материалов и изделий
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Гидрофобизация гипсонаполненных систем
Пояснительная записка
|
Содержание
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов …………..…………………………………………………………... |
6 |
|
Введение………………….……………………………………………………. |
7 |
|
1 Сухие строительные смеси на основе гипса………………………………. |
8 |
|
1.1 Анализ отечественного рынка сухих смесей на гипсовой основе, проблемы и перспективы …………………………….…….………………….. |
8 |
|
1.2 Современные тенденции развития технологии производства сухих строительных смесей на основе гипса................................................................
1.2.1 Горизонтальные схемы производства…………………………………
1.2.2 Вертикальные схемы производства……………………………………
1.2.3 Смешанные типы заводов……………………………………………....
1.3 Разработка водостойких гипсовых вяжущих………………………….. |
9 9 9 9 10 |
|
2 Методика исследования……………………………………………………… |
18 |
|
2.1 Выбор и описание сырьевых компонентов …………………………….. |
18
|
|
2.2 Методика исследований гипса и гипсонаполненных вяжущих……….. |
20 |
|
2.3 Методика исследований сухих строительных смесей на основе гипса.. |
23 |
|
2.4 Математическое планирование эксперимента …………………………. |
25 |
|
3 Разработка модифицированных сухих строительных смесей на основе гипса …………………………………………………………………………….. |
25 |
|
3.1 Характеристика исходных минеральных компонентов ……………… |
25 |
|
3.1.1 Наполнители ………………………………………………………….. |
28 |
|
3.1.2 Добавки ………………………………………………………………... |
29 |
|
3.2 Влияние наполнителей различной природы на свойства гипса ………. |
30 |
|
3.2.1 Реологические характеристики гипсонаполненных систем ……... |
32 |
|
3.2.2 Физико-механические свойства гипсонаполненных систем ……... |
32 |
|
3.3 Модификация гипсонаполненных вяжущих ……………………...... |
42 |
|
3.4 Модификация пластификаторами ……………………………………….. |
53 |
|
3.4.1 Влияние пластификаторов на реологические свойства гипсонаполненного вяжущего …………………………………………………
3.4.2 Влияние пластификаторов на физико-механические свойства гипсонаполненного вяжущего…………………………………………………. |
53 |
|
3.5 Исследование комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем ……………………………………………………. |
63 |
|
3.5.1 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на реологические показатели …...........................
3.5.2 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на физико-механические характеристики………
3.5.3 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на структурные показатели……………………... |
72 |
|
4 Расчет состава модифицированных сухих смесей на основе гипса ………
5 Характеристика контрольных составов……………………………………...
6 Экономический эффект результатов исследований………………………...
7 Общие выводы |
77 |
|
Список использованных источников …………………………………………. |
78 |
Введение
Современная архитектура зданий и сооружений характеризуется креативностью своих форм и решений. Это немыслимо без применения эффективных строительных материалов. Широкое распространение в отделочных работах получили композиции на основе гипса, история использования которых отмечена еще в IV в. до н.э. в Древнем Египте.
В настоящее время основной объем выпускаемых для нужд строительства гипсовых вяжущих используется в производстве сухих строительных смесей. Это принципиально новые отделочные материалы, Российское производство которых датируется 90-ми годами ХХв. На сегодняшний день общий выпуск отечественных смесей составляет около 3 млн.т. в год, и на долю гипсовых приходится более 40%.
Отрасль производства сухих строительных смесей можно считать одной из самых перспективных и экономически привлекательных из всего строительного комплекса России. Применение их взамен традиционных растворов и бетонов значительно сокращает сроки производства строительных работ, улучшает культуру производства, снижает трудоемкость, повышает стабильность физико-механических характеристик конечного материала, уменьшаются расходы на транспортировку и хранение.
Мировой и отечественный опыт использования сухих смесей, показал их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными методами проведения работ:
- повышение производительности труда в 1,5—5 раз в зависимости от вида работ, механизации, транспортировки и т. д.;
- снижение материалоемкости по сравнению с традиционными технологиями в 3—10 раз в зависимости от видов работ (плиточные работы — в 7 раз. выравнивание стен и полов — в 10 раз);
- стабильность составов и повышение качества строительных работ;
- длительность срока хранения без изменения свойств и расходование по мере необходимости;
- возможность транспортирования и хранения при отрицательной температуре.
Сухие смеси позволяют повысить качество и стабильность строительных работ, значительно разнообразить отделку зданий и кроме того, их применение дает возможность использовать различные нетрадиционные способы решения инженерных задач при новом строительстве, при реконструкции и ремонте зданий. Импортные смеси в результате введения специальных добавок имеют хорошие технологические свойства, легко наносятся и т.д. Но их производители при создании своей продукции и планировании её свойств исходят из особенностей европейского климата. И в результате не оценивают работу уже затвердевших сухих смесей в российском климате. В России есть собственный опыт производства сухих смесей с применением отечественных добавок. Среди таких добавок, есть вещества, обладающие уникальными свойствами — они не только позволяют улучшить эксплуатационные свойства затвердевшего материала, но и увеличить эффективность применения добавок в несколько раз.
Однако несмотря на многовековой опыт использования и высокие потребительские свойства современное применение составов на основе наиболее доступного в России гипсового вяжущего бета-полугидрата ограничивается штукатурками и шпаклевками для помещений с нормальным режимом эксплуатации. В основном это связано с тем, что материалы имеют низкую водостойкость.
На сегодняшний день анализ, разработка и усовершенствование рецептур является вопросом, интересующим большинство производителей сухих строительных смесей. Наиболее важным фактором в оптимизации составов является уменьшение расхода вяжущего и снижение себестоимости конечной продукции. Очень часто производители пытаются улучшить качество смеси за счет введения либо повышенного количества вяжущего, любо сложного комплекса дорогостоящих химических добавок. Однако каждая добавка имеет свой механизм взаимодействия с вяжущим, и, как правило, проявляет как положительные, так и отрицательные эффекты. При использовании большого количества добавок происходит колоссальное увеличение себестоимости сухой смеси и заметное ухудшение ее рабочих характеристик/1/. Поэтому важным вопросом является разработка составов сухих строительных смесей на основе гипса с максимальным использованием местных сырьевых ресурсов и оптимальным содержанием эффективных продуктов строительной химии различного функционального назначения.
Сухие строительные смеси на основе гипсовых вяжущих находят все большее применение, так как они обладают рядом положительных свойств. Возможность применения смесей на данном вяжущем в условиях эксплуатации при относительной влажности не более 60 процентов дает толчок для разработки новых составов с добавками, увеличивающими гидрофобность гипсовых сухих смесей. Смеси на основе гипса имеют высокие технологические свойства, высокая парогазопроницаемость, возможность регулирования сроков схватывания в широких пределах и многое другие положительные качества.
Итак, причинами популяризации гипсовых составов можно назвать эстетичность, экологичность, нормализация микроклимата помещений, небольшая трудоемкость работ. Учитывая растущие объемы строительства и увеличение доли ветхого жилья, по данным, заложенным в Стратегии развития ской области до 2030г., потребление данных материалов будет исчисляться в тысячах тонн. Отделка помещений гипсовыми смесями способствует нормализации микроклимата, но несмотря на этот факт исследование в области наполнения их компонентами различной минеральной природы актуально. Это связано с тем, что материалы характеризуются различными структурными показателями. Их применение в составе гипсового вяжущего приводит к изменению комплекса реологических и физико-механических свойств всей системы.
Поэтому весьма актуальным направлением исследования является разработка гипсонаполненных систем и сухих строительных смесей на их основе с максимальным использованием местной сырьевой базы. Кроме того, сопутствующей целью новых изысканий служит получение экономического эффекта удешевления продукта, увеличение срока службы, исключение имеющихся недостатков.
Высокой водостойкости гипсонаполненных систем при прямом контакте с влагой добиться сложно. Однако, исключение интенсивного старения камня, вызываемого адсорбцией влаги из воздуха, возможно посредством оптимизации его внутренней и поверхностной структуры в присутствии различных наполнителей. Их применение в составе гипсового вяжущего приводит к изменению комплекса реологических, физико-механических, структурных показателей всей системы.
Поэтому целью исследования стало изучение влияния дисперсных минеральных компонентов на свойства системы «гипс-наполнитель» с последующей модификацией продуктами строительной химии.
1 Сухие строительные смеси на основе гипса
1.1 Анализ отечественного рынка сухих смесей, проблемы и перспективы
К факторам роста отечественного рынка гипсовых смесей можно отнести следующие:
- рост темпов строительства зданий и сооружений;
- потребность населения в морально-эстетическом удовлетворении;
- большие потребности в реконструкции старинных зданий;
- рост объемов жилья, требующего реконструкции;
- бурное развитие рынка коммерческой недвижимости.
В настоящее время в России функционирует несколько сотен фирм, предлагающих сухие строительные смеси. Этот рынок изначально обрел ориентацию на дорогостоящую продукцию, но постепенно, с развитием конкуренции на нем, приобретает четкую ценовую дифференциацию.
Сухие строительные смеси впервые появились на российском рынке только в 90-х годах прошлого столетия. До этого все строительно-отделочные материалы, такие, как монтажно-кладочные растворы на цементных связующих, шпаклевки, клеи, известковые и меловые пасты, приготавливались на заводах в "мокром" виде - готовыми к употреблению. В худшем случае они замешивались непосредственно на месте работ.
Первые ССС, пришедшие на рынок, были изготовлены в Польше, Финляндии и Германии: это финские материалы марки Vetonit, немецкие штукатурные смеси Knauf. Их стоимость по отечественным меркам была очень высокой - из-за больших транспортных расходов и низкого уровня конкуренции. Уже через несколько лет после прихода "иностранцев" в России стали производиться свои сухие строительные смеси. В магазинах появилась продукция таких торговых марок, как "Бирсс", "Глимс", "Крепс", "Боларс", "Юнис", "Старатели". Рынок стал расти быстрыми темпами, прибавляя примерно 40-50% в год.
Сегодня в нашей стране потребление ССС на душу населения составляет от 2 до 3 кг в год, в то же время в Германии этот показатель равен 30кг, а во Франции, Польше и Финляндии - 20 кг в год. Основные потребители сухих смесей в России - это строительные и ремонтные организации - на их долю приходится 75% продаж. По мнению участников рынка, частники в массовом порядке пока не готовы к потреблению ССС.
Наиболее популярный вид сухих строительных смесей - шпаклевки, их покупают более 60% потребителей. Около 50% используют штукатурку и универсальные смеси. Чуть меньшую долю занимает клей для плитки, грунтовка и затирки для швов. Гидроизоляция и наливные полы, еще несколько лет назад не имевшие особого успеха, в последнее время всё шире применяются строителями.
Более половины рынка ССС традиционно приходится на несколько компаний-лидеров, представляющих торговые марки Knauf, Vetonit, "Плитонит" и "Юнис": этот рынок по-прежнему остается рынком умеренной концентрации. Эксперты указывают на то, что предпочтения строителей в отношении марок смесей уже сложились, и изменить их непросто - поэтому перспективы быстрого становления новых марок сомнительны.
С точки зрения широты ассортимента уральский рынок ССС можно считать насыщенным: даже в небольших населенных пунктах предлагается не менее 10-15 марок продукции.
Все смеси по типу вяжущего делятся на цементные, цементно-известковые, известковые, известково-гипсовые и гипсовые. В качестве заполнителя могут быть использованы строительные пески, мраморная крошка, молотый известняк, минеральные или органические волокна, металлическая фибра. Большое влияние на свойства получаемой смеси оказывают модифицирующие добавки. Сегодня их разработано великое множество, и в состав отдельных видов ССС может входить более десятка разных добавок, причем некоторые занимают ничтожно малый процент от объема.
Перспективы роста российского рынка и расширения сферы применения гипса его участники связывают с улучшением инвестиционного климата, развитием производства, увеличением объемов строительства.
Ведется активное строительство и модернизация заводов по производству смесей, что неизбежно приведет к увеличению производства высококачественной продукции.
Основным направлением применения гипсовых сухих строительных смесей является штукатурные, шпатлевочные и клеевые составы для внутренних работ.
Штукатурные смеси представляют собой растворные смеси из неводостойких гипсовых вяжущих β- или α-модификаций, ангидрита или их смесей, крупнозернистого заполнителя фракции не более 2,5 мм и специальных химических добавок различного назначения. Такие смеси предназначены для грубого выравнивания поверхностей путем однослойного оштукатуривания стен и потолков с различным видом поверхности. Штукатурные смеси на гипсовой основе используются для внутренних отделочных работ в сухих помещениях по различным поверхностям.
Современные штукатурные смеси для выравнивания стен демонстрируют новые возможности в строительстве. Штукатурные смеси разводятся легко согласно рецептуре, просто наносятся и не пылят в сухом виде.
Шпатлевочные смеси представляют собой дисперсные смеси из неводостойких гипсовых вяжущих β-или α-модификаций, ангидрита или водостойких гипсовых вяжущих (гипсоцементно-пуццолановые или композиционные гипсовые вяжущие), мелко- и тонкодисперсных наполнителей и химических добавок целевого назначения.
Штукатурки и шпаклевки в результате введения химических добавок претерпели весьма существенные усовершенствования. Достаточно вспомнить, что еще в начале ХХ века различия между штукатурными и шпаклевочными смесями не существовало. Не было даже самого слова "шпаклевка" или "шпатлевка", происходящего от немецкого Spachtel. Сегодня каждый из этих материалов благодаря применению различных химических добавок подразделяется на десятки невзаимозаменяемых подвидов, различающихся, прежде всего, по области применения.
Чаще всего применяются штукатурные и шпаклевочные смеси на гипсовой или цементной основе. Считается, что с экологической точки зрения гипс предпочтительнее цемента: низкая теплопроводность гипса препятствует потере тепла из помещения, благодаря высокой пористости штукатурка на основе гипса поглощает влагу из воздуха при ее избытке и отдает при недостатке, поддерживая тем самым в помещении постоянную относительную влажность. Кроме того смеси на основе гипса не содержат щелочных компонентов, при пожаре вода, находящаяся в кристаллической решетке гипса, высвобождается и гасит огонь. При дальнейшем повышении температуры образуется водяной пар, который создает паровую завесу, преграждающую путь пламени.
Гипсовые сухие смеси, выпускаемые промышленностью, предназначены для внутренней отделки помещений с относительной влажностью воздуха не более 75 %. Растворы из таких смесей должны соответствовать техническим требованиям, предъявляемым нормативными документами. Они должны иметь высокую адгезию к основанию, легко наноситься ручным или механизированным способом и заглаживаться. Гипсовый раствор должен быть совместим с обрабатываемым материалом, а получаемая поверхность - с другими видами отделки покраской, оклейкой и т.п..). Благодаря изначально белому иди с оттенками цвету гипсового вяжущего, упрощается финишная отделка поверхностей, обработанных гипсовыми растворами.
Гипсовые сухие смеси в зависимости от назначения могут содержать кроме гипсового вяжущего различные наполнители, кварцевый или другой песок, пигменты, различные модифицирующие добавки. В качестве вяжущего в этих смесях можно использовать любые гипсовые или ангидритовые вяжущие в зависимости от предназначения. Большинство смесей содержат добавки: замедлители сроков схватывания, водоудерживающие, загустители, редиспергируемые полимерные порошки на основе различных сополимеров.
Перспективно изготовление готовых сухих гипсосодержащих смесей, которые могли бы применяться при изготовлении не только растворных и шпаклевочных смесей для внутренней отделки, но и для наружной, а также для производства различных изделий и монолитного бетонирования.
1.2 Современные тенденции развития технологии производства сухих строительных смесей на основе гипса
Основными процессами технологической цепочки производства сухих строительных смесей, оказывающих существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, являются: подготовка сырьевых компонентов, их дозирование и смешивание, распределение малых химических добавок и премиксов в основной массе продукта.
Главная трудность - обеспечение точности дозировки и равномерности перемешивания основных компонентов и вспомогательных добавок, вводимых в количествах менее 1% и с точностью дозировки до 0,05% от массы вяжущих. Трудность этой задачи не только в малом количестве добавок, но и в разной плотности минеральных и органических компонентов (плотность органических в 2-2,5 раза меньше, чем минеральных).
Проблема точной дозировки и равномерного перемешивания добавок для малых цехов и крупных заводов решается по-разному.
Для небольших цехов можно рекомендовать следующий технологический прием. Добавки дозируются на точных весах. Затем они перемешиваются с небольшим количеством одного из главных компонентов смеси, и полученную таким образом «затравку» вводят в смеситель, в котором готовится собственно сухая смесь.
На крупных компьютеризированных предприятиях все компоненты дозируются и перемешиваются в смесителях непрерывного действия, разработанных специально для этого. Конфигурация перемешивающих органов и скоростные параметры работы смесителей обеспечивают требуемое качество перемешивания.
Существует большое количество схем производства сухих строительных смесей. Рассмотрим наиболее современные из них.
1.2.1 Горизонтальные схемы производства
При объемах продаж 1—5 тыс. т в год строительство завода с вертикальной компоновкой технологической схемы будет скорее всего экономически неоправданно. В этом случае целесообразно вести речь о небольшой установке, которую можно разместить в помещении высотой 8—10 м.
Такая установка может использоваться:
— в качестве пробного шара для оценки емкости региональных рынков;
― для производства смесей специального назначения, потребление которых ограничено;
― в качестве второй вспомогательной линии, позволяющей разгрузить основное производство от продукции, выпускаемой малыми партиями.
При горизонтальном расположении технологических линий помимо основного оборудования в состав установок заводов входят вспомогательные агрегаты для аспирации и обеспечения сжатым воздухом. Преимущество заводов, работающих по данной схеме, в том, что не требуется специально запроектированных высотных сооружений и они могут размещаться в существующих, например, складских помещениях или стройплощадках заводов ЖБИ. Эта конструкционная схема больше ориентирована на модернизацию производственных площадей с целью выпуска сухих строительных смесей. Разработки в данном направлении весьма эффективны, т.к. отличаются меньшими капитальными затратами, чем при организации нового производства. При реконструкции предприятий удается использовать часть уже имеющегося оборудования и применять наиболее экономичную схему. Такие установки введены в действие в Самаре, Пензе, Белгороде.
1.2.2 Вертикальные схемы производства
К наиболее совершенным относятся специальные заводы башенного типа с вертикальной схемой расположения оборудования.
По вертикальной схеме работает большинство заводов западноевропейских стран. Принцип вертикальной схемы завода сухих смесей заключается в размещении силосов сырьевых материалов в верхней части сооружения над вытянутой сверху вниз цепочкой технологического оборудования.
Сырьевые материалы поднимаются вверх один раз при загрузке их в силосы, и далее при прохождении всех технологических операций происходит движение компонентов и готовой продукции вниз. Гравитационная подача материалов является главным достоинством завода с вертикальной схемой размещения оборудования. При этом количество транспортирующих устройств между весами, смесителями и фасовочной машиной сводится к минимуму. Тогда как при горизонтальной схеме расположения оборудования именно транспортирующие устройства создают проблемы, особенно при чередовании рецептур смесей.
Недостатком вертикальной схемы производства является необходимость строительства мощной опорной конструкции, несущей нагрузки от заполненных силосов.
При покупке оборудования для небольших установок сумма затрат почти всегда является ограниченной, и нередко принимаются решения в ущерб удобству работы и качеству продукции. Но было бы ошибкой считать, что качественную продукцию можно производить только в условиях завода с вертикальной схемой. В составе небольшой установки используется то же самое оборудование, а все технологические операции могут быть полностью автоматизированы.
1.2.3 Смешанные типы заводов
Определённый интерес представляют мини-заводы сухих смесей МЗС-10 и МЗС-10М, разработанные ЗАО «Стройпрогресс – Новый век», которые относятся к заводам со смешанной компоновкой технологического оборудования. Это быстромонтируемые модульные заводы контейнерного типа, изготовляемые в виде блочной системы, в которую входят следующие блоки: смесительный, бункерный, блок сушильного оборудования, воздухоочистительный и внеблочное оборудование. Проведённый анализ технологий производства сухих строительных смесей показал богатое разнообразие конструкторских решений, которое в дальнейшем будет развиваться.
Отдельно взятый завод (даже если он собран из серийно выпускаемого оборудования) представляет собой воплощение оптимальных конструкторских решений, технико-экономических расчётов, маркетинговых исследований и т.д., что придаёт ему абсолютную неповторимость.
Несмотря на это, главной чертой, сходной для заводов и отдельно взятых установок, является высокая технологичность и автоматизация большинства производственных процессов. Это позволяет с высокой точностью воспроизводить даже сложные многокомпонентные рецептуры сухих смесей, разрабатываемые в специализированных научных лабораториях. Кроме того, при внедрении в производство новых составов необходимо учитывать технологические особенности сырья и производства.
1.3 Разработка водостойких гипсовых вяжущих
Россия располагает достаточными запасами природного гипсового сырья и огромным количеством гипсосодержащих отходов.
Изделия на основе гипсовых вяжущих отличаются небольшой массой, достаточной прочностью, относительно низкими тепло- и звукопроводностью. Им легко придать любую архитектурную форму, любой цвет. Кроме того, гипсовые материалы огнестойки, способствуют поддержанию комфортного микроклимата в помещениях за счет хороших показателей паро- и воздухопроницаемости, способности поглощать лишнюю влагу из воздуха и отдавать ее при снижении влажности.
Причина недостаточной водостойкости ГВ, по которой в основном сдерживается широкое использование его в строительстве, объясняется исследователями по-разному.
По мнению П.П. Будникова и других ученых основной причиной низкой водостойкости гипсовых изделий является относительно высокая растворимость гипса, составляющая 2,04 г/л CaSO4 при температуре 20°С.
При увлажнении за счет растворения кристаллов двугидрата в порах изделий образуется насыщенный раствор сульфата кальция. Вследствие этого связь между кристаллами ослабевает, и прочность изделия снижается.
Другие ученые полагают, что причиной снижения прочности затвердевшего ГВ при увлажнении является адсорбция влаги внутренними поверхностями микрощелей и возникающее при этом расклинивающее действие водных пленок, в результате которого отдельные микроэлементы кристаллической структуры разъединяются. При этом адсорбционный эффект усугубляется пористостью гипсовых материалов. Можно полагать, что низкая водостойкость гипсовых изделий объясняется одновременным воздействием этих основных факторов.
Обобщая сказанное, можно заключить, что низкая водостойкость ГВ обусловлена высокой растворимостью двугидрата сульфата кальция, его высокой проницаемостью и расклинивающим действием молекул воды, проникшей в межкристаллические полости. Структура затвердевшего гипса характеризуется высокой сообщающейся пористостью с размером пор в пределах 1,5...3 мкм, удлиненными кристаллами двугидрата сульфата кальция, которые имеют между собой точечные соединения, имеющие тенденцию к разрыву при небольших напряжениях. Кроме того, двугидрат сульфата характеризуется достаточно большим объемом межплоскостных (межкристаллических) пространств (полостей), в которые проникает вода, ослабляя связи и вымывая гипс. Все это и приводит к значительному снижению прочности и размыванию гипсовых отливок под действием воды.
Анализ работ по повышению водостойкости гипсовых вяжущих позволяет определить следующие тенденции в исследованиях по улучшению технических свойств гипсовых вяжущих:
- повышение плотности изделий за счет их изготовления методом трамбования и прессования из малопластичных смесей;
- повышение водостойкости гипсовых изделий наружной и объемной гидрофобизацией, пропиткой изделий веществами, препятствующими проникновению в них влаги;
- применение химических добавок, в том числе пластифицирующих, позволяющих модифицировать различные свойства;
- уменьшение растворимости в воде сульфата кальция и создание условий образования нерастворимых соединений, защищающих двугидрат сульфата кальция, сочетанием ГВ с гидравлическими компонентами (известью, портландцементом, активными минеральными добавками).
В настоящее время доказано, что одним из основных путей повышения водостойкости гипсовых вяжущих является введение в него веществ, вступающих с ним в химическое взаимодействие с образованием водостойких и твердеющих в воде продуктов, как в результате химической реакции с гипсовым вяжущим, так и вследствие собственной гидратации.
Исследования показали, что наиболее устойчива композиция, состоящая из гипсового вяжущего (полугидрата сульфата кальция), портландцемента и надлежащего количества активных минеральных добавок, которая получила название - гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ). Они были подвергнуты всесторонним исследованиям в МИСИ им. В.В. Куйбышева (МГСУ) и других организациях. Создание ГЦПВ позволило значительно расширить области применения гипсовых материалов в строительстве за счет использования их в наружных конструкциях и в зданиях с повышенной влажностью воздуха.
Но разумеется, имеет место быть гидрофобизация минеральных гипсовых систем с помощью введения водоотталкивающих веществ.
Именно поэтому необходимо найти альтернативу ГЦПВ.
Мы попробуем повысить долговечность гипсонаполненных смесей при помощи гидрофобизаторов, фиброволокна. В нашем исследовании не рассматривалась возможность использования цемента как компонента гипсовых смесей.
Долговечность минеральных систем на основе гипсового вяжущего определяется рядом внутренних и внешних факторов. Многие из них трудно учесть в процессе эксплуатации, однако они существенно способствуют накоплению деструкций в камне. Особенности капиллярно-пористой структуры часто являются причиной разрушения их в условиях средовых воздействий. Многими специалистами отмечается влияние влаги как наиболее весомого разрушающего фактора. Диффузия воды сквозь систему сопровождается массопереносом агрессивных агентов, что приводит к накоплению деструкций, ослаблению пространственной структуры. Гипс, как известно, гигроскопичен, легко размывается водой.
Для повышения долговечности минеральных систем в строительстве применяется комплекс мероприятий по защите объектов от отрицательного воздействия влаги: это устройство искусственной вентиляции, гидроизоляция внешних контуров конструкций пропиточными полимерными составами и красками и т.д. Зачастую многие методы малоэффективны и затратны.
Решением данной проблемы на сегодняшний день является повышение водоотталкивающих свойств - введение в состав минеральной системы эффективных порошковых гидрофобизаторов, наиболее распространенные - это соли жирных кислот и комплексы на их основах.
Введение гидрофобной добавки в состав минеральной системы приводит к значительному увеличению угла смачивания жидкости на поверхности камня. Т.е. позволяет силе поверхностного натяжения жидкости на поверхности с твердым телом преобладать над силами поверхностного натяжения на границе «твердое тело – газ» и гидростатического давления жидкости и стремится стянуть каплю к ее центру.
Важным фактором эффективного применения различных гидрофобных добавок является специфика их взаимодействия с компонентами минеральной части.
В работе исследованы наиболее распространенные гидрофобизирующие добавки для сухих строительных смесей (стеараты), представляющие собой дисперсные порошки белого цвета с удельной поверхностью 1500-3600 см2/г и молярной массой от 591, 27 г/моль до 877,39 г/моль.
В качестве минеральной основы для изучения поверхностной и объемной гидрофобизации использована система содержащая по массе 35 % наполнителя (песка, известняка) и 65 % гипсового вяжущего Г13.
2 Методика исследования
2.1 Выбор и описание сырьевых компонентов
В качестве вяжущего в гипсовых смесях был выбран высокопрочный гипс марки Г13.
Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двухводного гипса CaS04∙2H20 до температуры 150-160°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный CaSO4∙0,5H2O. Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре до 700-1000°С с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция — ангидрита CaS04. К низкообжиговым относится строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстрих-гипс.
Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSCu; также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс. Возможно применение гипсосодержащего природного сырья в виде сажи и глиногипса.
Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного гипса. Этот полуводный гипс α-модификации, который имеет более крупные кристаллы, обусловливающие меньшую водопотребность гипса (40-45%). Получают его путем нагревания природного гипса паром под давлением 0,2-0,3 МПа с последующей сушкой при температуре 160-180°С. Прочность его за 7сут. достигает 15-40 МПа.
В роли наполнителей было взято большое количество различных компонентов. Наполнителем называется зернистый материал с наибольшей крупностью зерна, не превышающего Dmax≤0,63 мм, который используется для наполнения дисперсных сухих смесей в количестве как правило 10-40%.
Использовались карбонатные: магнезит, молотый известняк; мел; шлам водоумягчения ТЭЦ; кремнеземистые: серпентинит, глина обожженная, песок молотый; переменного состава: шлак электросталеплавильный. Величина удельной поверхности наполнителей составляла около 3500 см2/г.
Магнезит – мономинеральная горная порода из класса карбонатов, группы кальцита, состав MgCO3; содержит MgO - 47,82%, CO2 - 52,18%, изоморфные примеси — часто Fe, реже Mn, Ca. Кристаллическая структура аналогична кальциту. Встречается в ромбоэдрических или неправильно вытянутых кристаллах, а при образовании в зонах выветривания пород на земной поверхности — в фарфоровидных скрытозернистых массах. Скопления магнезита встречаются в осадочных соленосных породах (совместно с гипсом), в измененных магматических ультраосновных породах (при метаморфизме — совместно с тальком, при выветривании — почти без примесей), но важнейшие промышленные его месторождения связаны с метаморфизованными доломитами. Месторождения последнего типа имеются во многих странах, особенно крупные — в докембрийских толщах РФ (Саткинское на Урале, Тальское и другие в Енисейском кряже, Савинское в Восточном Саяне).
Известняк – осадочная горная порода, сложенная преимущественно карбонатом кальция – кальцитом. Известняки бывают разных цветов, включая черный, но чаще всего встречаются породы белого, серого цвета или имеющие коричневатый оттенок. В соответствии со своим осадочным происхождением имеют слоистое строение. Известняки встречаются почти на всех материках, за исключением Австралии. Они сформировались в разные геологические эпохи. Мощность пластов варьирует от нескольких сантиметров до сотен метров. Известняки распространены в США и занимают 75% площади страны. В России известняки обычны в центральных районах европейской части, а также распространены на Кавказе, Урале и в Сибири.
Мел - осадочная горная порода белого цвета, мягкая и рассыпчатая, нерастворимая в воде, органического (зоогенного) происхождения. Основу химического состава мела составляет карбонат кальция с небольшим количеством карбоната магния. В меле находится незначительная примесь мельчайших зёрен кварца и микроскопические псевдоморфозы кальцита по ископаемым морским организмам.
Шлам водоумягчения ТЭЦ – побочный продукт, содержащий в своем составе значительное количество карбоната кальция и образующийся на ТЭЦ при известковании воды. Ежегодно только на одной ТЭЦ в шлам - отстойниках собирается около 5 тыс. тонн шлама, который не находит дальнейшего применения, отвозится на свалку и создает экологическую проблему. Доступность в больших объемах, простота переработки, соответствующий и постоянный химический состав шлама водоумягчения позволяют предположить возможность его использования в качестве полноценного заменителя природных минеральных наполнителей при получении смешанных вяжущих для сухих штукатурных смесей.
Серпентинит - плотная горная порода, образовавшаяся в результате изменения (серпентинизации) гипербазитов при метаморфизме магматических пород группы перидотита и пикрита, иногда также доломитов и доломитовых известняков. Состоит главным образом из минералов группы серпентина и примеси карбонатов, граната, оливина, пироксена, амфиболов, талька, а также рудных минералов магнетита, хромита и других. Самый чистый серпентинит образуется по перидотиту. Окраска зелёная с пятнами разных цветов. Богатство градаций зеленого тона зависит от присутствия тех или иных минеральных примесей, так, белый цвет обусловлен присутствием ветвящихся прожилков кальцита или доломита. Разнообразием цветовых оттенков отличаются серпентиниты Урала.
Глина мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китае), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Как правило породообразующим минералом в глине является каолинит. Большинство глин — серого цвета, но встречаются глины белого, красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и даже чёрного цветов. Основным источником глинистых пород служит полевой шпат, при распаде которого под воздействием атмосферных явлений образуются каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов. Некоторые глины осадочного происхождения образуются в процессе местного накопления упомянутых минералов, но большинство из них представляют собой наносы водных потоков, выпавшие на дно озёр и морей.
Песок - осадочная горная порода, а также искусственный материал, состоящий из зёрен горных пород. Очень часто состоит из почти чистого минерала кварца. Природные пески в зависимости от генезиса могут быть аллювиальными, делювиальными, морскими, озёрными, эоловыми. Пески, возникшие в результате деятельности водоёмов и водотоков, имеют более округлую, окатанную форму. Согласно ГОСТ 8736-93 строительный песок — это неорганический сыпучий материал с крупностью зёрен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений без использования или с использованием специального обогатительного оборудования.
Шлак электросталеплавильный - многокомпонентный оксидный расплав, непосредственно контактирующий с металлом в сталеплавильном агрегате и выполняющий важные технологические функции. Важной технологической характеристикой шлака является его основность. Мерой основности служит отношение суммы концентраций основных оксидов к сумме концентраций кислотных, в простейшем случае (CaO)/(SiO2). Важнейшими физическими свойствами сталеплавильных шлаков являются поверхностное натяжение, вязкость, плотность, электрическая проводимость.
Маршалит - пылевидный кварц (горная мука, кварцевый мелит, пылевидный кремнезем) — мучнистая масса тонкодисперсного кварца, обычно безукоризненно белого цвета. Состоит из угловатых зерен кварца с примесью халцедона, опала, карбонатов и глинистых минералов. Маршалит отличается высокой дисперсностью и низким содержанием окислов железа. Применение маршалита основано на его химическом составе, приближающемся к составу кварца, и высокой дисперсности при низком содержании окислов железа. Маршалит представляет интерес для всех отраслей промышленности, где требуется маложелезистое кварцевое сырье в тонком измельчении: в качестве наполнителя резин (особенно электроизоляционных) и пластмасс; в стекольной промышленности — для варки неокрашенного стекла; в качестве формовочного материала или краски для литейных форм; вместо кварца при изготовлении фарфора и фаянса; в качестве абразива для шлифования стекла, мрамора и т. д.
Изначально при производстве сухих смесей российские фирмы использовали исключительно импортные модификаторы, что существенно удорожало продукцию. В последнее время все большее число химических добавок выпускают отечественные предприятия. Добавки ускоряют или замедляют твердение, делают более простой укладываемость, уменьшают количество воды, повышают морозостойкость и пористость.
В России в соответствии с ГОСТ 24211-2003 химические добавки классифицируют по основному эффекту действия:
- регулирующие свойства растворных смесей – пластифицирующие, т.е. увеличивающие подвижность растворных смесей; стабилизирующие, т.е. предупреждающие расслоение растворных смесей; водоудерживающие, уменьшающие водоотделение;
- регулирующие схватывание растворных смесей и их твердение – ускорители и замедлители схватывания, ускорители твердения, противоморозные добавки (обеспечивающие твердение при отрицательных температурах);
- регулирующие плотность и пористость растворных смесей и раствора – воздухововлекающие, газообразующие, уплотняющие, пеногасящие, расширяющие добавки.
В эту группу входят часть добавок из первой группы (СНВ, СДО, ЦНИИПС – 1), а также щелочной сток производства капролактама (ЩСПК), кремнийорганические жидкости, полиметилсилоксановые жидкости, мылонафт, асидол, асидол-мылонафт, пенообразующие, микро пенообразующие (например, ВС и ОС), газообразующие (алюминиевая пудра и др.). К уплотняющим относят нитрит кальция, сульфат алюминия, хлорид железа, сульфат железа и др.
ингибиторы коррозии стальной арматуры: нитрит натрия, калиево-кальцивые соли и др.;
- гидрофобизирующие, т. е придающие раствору водоотталкивающие свойства, повышающие сопротивление действию воды. К этой группе относятся добавки, рассмотренные выше: мылонафт, асидол, кремнийорганические жидкости, полиметилсилоксановые жидкости и др.;
- бактерицидные и инсектицидные добавки, повышающие сопротивляемость растворов против биохимической коррозии.
Номенклатура предлагаемых добавок очень обширна.
В отечественной и зарубежной промышленности для производства сухих смесей с высоким водоудержанием применяют химические добавки, являющиеся производными целлюлозы, а также отходами целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, агрохимии и др.
Для всех видов сухих гипсовых смесей, за исключением ангидритовых, используются специальные добавки для увеличения сроков схватывания гипсовых растворов и их жизнеспособности. Это необходимо для сохранения вязко-пластичной консистенции растворов при нанесении их на различные поверхности стеновых материалов с последующей обработкой соответствующими рабочими инструментами.
Для регулирования свойств сухих гипсовых смесей возможно применение следующих добавок.
Функциональные добавки осуществляют замедление схватывания гипсовой смеси, увеличивают водоудержание, подвижность, пластичность, прочность сцепления, создают особую поровую структуру, снижают риск трещинообразования.
Замедлители схватывания - важные функциональные добавки, обеспечивающие увеличение живучести растворной гипсовой смеси. Известно, что гипсовые вяжущие быстро схватываются, и решение задачи увеличения живучести заключается в правильном выборе специальных добавок - замедлителей схватывания.
Водоудерживающие добавки вводятся в гипсовые смеси с целью увеличения водоудержания, адгезии, улучшения перемешивания, придания растворной смеси необходимой вязкости и пластичности. Для этих целей используются различные эфиры целлюлозы. Кроме водоудерживающей добавки, в некоторые составы гипсовых смесей вводятся реологические добавки, так называемые загустители, которые улучшают консистенцию растворной смеси, ее удобообрабатываемость и снижает липкость к инструменту. В этом качестве используют простые эфиры крахмала.
Редиспергируемые полимерные порошки (РПП) вводятся в состав гипсовых смесей для увеличения прочности сцепления с подложкой, прочности на изгиб, водостойкости и улучшения технологичности приготовления и нанесения растворной смеси.
Порообразователи или воздухововлекающие агенты - добавки, используемые в штукатурных смесях для создания особой поровой структуры затвердевшего материала. Они представляют собой поверхностно-активные вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение воды, и тем самым улучшают обволакиваемость самых мелких частиц растворной смеси. При этом образуются микропоры, равномерно распределенные по всему объему. Они минимизируют образование трещин, улучшают морозостойкость, технологичность.
Диспергаторы (пластификаторы) - добавки, которые абсорбируются на поверхности частиц растворной смеси, уменьшая образование комков при ее приготовлении.
Целью данного исследования явилось:
- изучение влияние наполнителей на основные характеристики гипса;
-разработка составов гипсонаполненных вяжущих;
-изучение влияния добавок на свойства наполненного вяжущего;
-создание модифицированного гипсонаполненного вяжущего;
-разработка составов гипсовых сухих строительных смесей.
2.2 Методика исследований гипса и гипсонаполненных вяжущих
Исследования гипса и гипсонаполненных вяжущих производились в соответствии со следующими нормативными документами: ГОСТ 23789-79 на методы испытаний гипсового вяжущего, ГОСТ 31376-2008, распространяемый на сухие строительные смеси на гипсовом вяжущем, ГОСТ 28013-98, распространяемый на строительные растворы.
Исследуемые характеристики: тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота, средняя плотность, прочности при сжатии и при изгибе.
Тонкость помола определяется по массе гипсового вяжущего, оставшегося при просеивании на сите с ячейками размером в свету 0,2 мм. За величину тонкости помола принимают среднее арифметическое результатов двух испытаний - 1,1% - гипс тонкого помола III.
Стандартная консистенция (нормальная густота) характеризуется диаметром расплыва гипсового теста, вытекающего из цилиндра при его поднятии. Диаметр расплыва должен быть равен (180±5) мм (на приборе Суттарда). Количество воды является основным критерием определения свойств гипсового вяжущего: времени схватывания и предела прочности. Количество воды выражается в процентах как отношение массы воды, необходимой для получения гипсовой смеси стандартной консистенции, к массе гипсового вяжущего в граммах. Нормальная густота - 50%.
Для определения сроков схватывания используют гипсовое тесто стандартной консистенции. Сущность метода состоит в определении времени от начала контакта гипсового вяжущего с водой до начала и конца схватывания теста (прибор Вика). Сроки схватывания: начало – 9мин.,
конец – 20мин. По срокам схватывания гипс нормально твердеющий класс Б.
Определение средней плотности растворной смеси производят в стальном цилиндрическом сосуде вместимостью 1000+2 см3.
Определение прочности при сжатии и при изгибе осуществляется на балочках размером 40х40х160 мм. Испытания проводились спустя 2 часа и 7 суток твердения в воздушных условиях. Марка гипсонаполненного вяжущего устанавливалась в соответствии с ГОСТ 125-79.
При приготовлении растворных смесей дозирование вяжущих и наполнителей должно производиться по массе. Последовательность дозирования должна строго соблюдаться. Первым этапом проводят смешивание гипса с наполнителем. Следующим этапом является дозирование воды.
Основными показателями качества раствора являются: прочность при сжатии, прочность при изгибе, средняя плотность.
2.3 Методика исследований сухих строительных смесей на основе гипса
Исследования сухих строительных смесей на основе гипса проводились по ГОСТ 31376-2008. Настоящий стандарт распространяется на сухие строительные смеси, изготавливаемые на гипсовом вяжущем и применяемые для внутренних работ при строительстве, реконструкции и ремонте зданий и сооружений. Настоящий стандарт устанавливает средства испытаний и методики определения следующих показателей качества:
- смесей в сухом состоянии:
влажность,
зерновой состав;
- смесей, готовых для применения (растворных смесей):
подвижность (нормальная густота),
начало и конец схватывания;
- затвердевших смесей:
прочность на растяжение при изгибе,
прочность при сжатии.
Для смесей в сухом состоянии дополнительно определяют насыпную плотность, для затвердевших смесей - среднюю плотность. Методы определения насыпной плотности и средней плотности должны быть указаны в стандарте на смесь конкретного вида.
Определение подвижности заключается в определении количества воды, необходимой для получения растворной смеси требуемой подвижности, определяемой по диаметру расплыва (растекаемости) образца растворной смеси. В настоящем стандарте ГОСТ 31376 приведены методы определения подвижности текучих (литых) и пластичных растворных смесей.
Подвижность текучих растворных смесей определяется диаметром расплыва образца, помещенной в форму (кольцо Вика), после снятия формы. Подвижность пластичных растворных смесей определяется диаметром расплыва образца смеси на встряхивающем столике.
Определение начала схватывания. Сущность метода заключается в определении глубины погружения в растворную смесь требуемой подвижности съемного конуса, установленного на приборе Вика.
Время начала схватывания характеризует продолжительность переработки растворной смеси, в течение которого смесь следует использовать по назначению.
Прочность на растяжение при изгибе и при сжатии определяют образцов-балочек размерами 160х40х40 мм, изготовленных из растворной смеси требуемой подвижности.
Также были определены гидрофизические характеристики: водопоглощение при капиллярном подсосе и адсорбции влаги по ГОСТ 31356-2007.
Водопоглощение при капиллярном подсосе определяют по объему воды, поглощенной образцом, высушенным до постоянной массы, при атмосферном давлении за счет капиллярных или адсорбционных сил.
2.4 Математическое планирование эксперимента
Под минеральной частью сухой строительной смеси понимается рационально подобранная смесь, состоящая из вяжущего, заполнителя и наполнителя. С целью получения вяжущего направленного спектра действия изучалось влияние наполнителей различной минеральной природы на свойства системы «гипс-наполнитель». Количество наполнителя в системе варьировалось от 0 до 50%.
Выбор параметров оптимизации производился исходя из экономической целесообразности. Варьирование расхода гипса преследовало цель выявления его минимального количества, обеспечивающего получение строительного раствора с заданными параметрами.
Современные сухие строительные смеси немыслимы без использования химических модифицирующих добавок, позволяющих достичь высоких строительно-технических свойств.
Значительным препятствием при проведении экспериментальных исследований является получение гомогенной смеси, т.к. довольно трудно распределить такое мизерное количество добавок равномерно по всему объёму сухой смеси.
Был определен наиболее оптимальный состав смешенного вяжущего с повышенными физико – механическими характеристиками, при этом соотношение составило ≈65 процентов гипса и ≈35 процентов наполнителя (мел, известняк молотый).
В дальнейшем подвергались модификации различными химическими добавками, которые вводились в состав минеральной части в количестве 0- 0,5 процентов; 0-1 процентов от массы смешенного вяжущего.
Таблица 1 - Матрица эксперимента
|
№ состава |
Кодовая матрица
|
Натуральные значения
|
Значения в «г» (в пересчете на 4000г) |
||||||
|
|
х1 |
х2 |
х3 |
х1 |
х2 |
х3 |
х1 |
х2 |
х3 |
|
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0,25 |
0,25 |
40 |
10 |
10 |
|
3 |
0 |
1 |
0 |
0,5 |
0,5 |
0,25 |
20 |
20 |
10 |
|
4 |
0 |
0 |
1 |
0,5 |
0,25 |
0,5 |
20 |
10 |
20 |
|
5 |
-1 |
1 |
1 |
0 |
0,5 |
0,5 |
0 |
20 |
20 |
|
6 |
1 |
-1 |
1 |
1 |
0 |
0,5 |
40 |
0 |
20 |
|
7 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
0,5 |
0 |
40 |
20 |
0 |
|
8 |
-1 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
0,5 |
0 |
0 |
20 |
|
9 |
-1 |
1 |
-1 |
0 |
0,5 |
0 |
0 |
20 |
0 |
|
10 |
1 |
-1 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
40 |
0 |
0 |
Таблица 2 – Уровни варьирования
|
Код |
-1 |
1 |
|
х1 |
0 |
1 |
|
х1 |
0 |
0,5 |
|
х1 |
0 |
0,5 |
В качестве варьирующих факторов выступили : Х1 – гидрофобизатор стеарат цинка, Х2 – армоволокно фибра Teсhnocel 500-1, Х3 – регулятор сроков схватывания лимонная кислота.
3 Разработка модифицированных сухих строительных смесей на основе гипса
Сухая строительная смесь - это приготовленный в заводских условиях, строго дозированный в соответствии с рецептом набор ингредиентов, который составлен для возможности выполнения определенного вида строительных и ремонтных работ. Современные сухие смеси — многокомпонентные специализированные системы, в которых кроме минерального вяжущего и заполнителя содержится комплекс химических добавок, обеспечивающих необходимые реологические свойства смеси, регулирующих скорость схватывания и твердения вяжущего и обеспечивающих необходимые физико-механические свойства раствора после затвердевания.
Сухие строительные смеси на основе гипсовых вяжущих находят все большее применение при реконструкции, ремонте и строительстве зданий. Наибольшее распространение получили штукатурные и шпаклевочные смеси, эффективность которых обязана ряду уникальных свойств гипсовых вяжущих. К ним относятся: возможность регулирования сроков схватывания в широких диапазонах;
- достаточная прочность и твердость затвердевшего материала и быстрота их достижения;
- сравнительно низкая теплопроводность и хорошая звукоизолирующая способность;
- высокая паропроницаемость;
- высокая огнестойкость;
- экологическая чистота.
Все эти свойства применимы и к растворам из гипсовых сухих смесей. Кроме того, как показывают исследования фирмы "КНАУФ", применение гипсовых сухих смесей более эффективнее известково-цементных, поскольку, благодаря меньшей плотности гипсового раствора, из одной тонны гипсовой сухой смеси получают в 2 раза большую площадь штукатуренной поверхности.
Гипсовые сухие смеси, выпускаемые промышленностью, предназначены для внутренней отделки помещений с относительной влажностью воздуха не более 75 %. Растворы из таких смесей должны соответствовать техническим требованиям, предъявляемым нормативными документами. Они должны иметь высокую адгезию к основанию, легко наноситься ручным или механизированным способом и заглаживаться.
3.1 Характеристика минеральных компонентов
Преимущество гипсового вяжущего перед другими типами вяжущих – высокая скорость схватывания, позволяющая сократить сроки проведения работ и увеличить оборачиваемость оборудования и оснастки, снижая, таким образом, издержки. Нельзя не напомнить и о нейтральности строительных гипсовых растворов, их меньшей опасности для рабочих.
Недостатком гипсового вяжущего является ограниченная водостойкость изделий из него, что исторически обусловило применение гипсовых продуктов преимущественно для внутренних строительных и отделочных работ.
В отличие от цементно-песчаной смеси, которую можно использовать без модификации в качестве кладочной смеси, штукатурки, стяжки и клея для плитки, системы на основе гипсового вяжущего непременно требуют введения модифицирующих добавок.
Рассмотрим обобщенную рецептуру гипсовой сухой смеси:
-гипс (возможна добавка извести)
-наполнитель/заполнитель
-замедлитель схватывания
-водоудерживающая и/или реологическая добавка
-гидрофобизатор
-пеногаситель (при необходимости)
-воздухововлекатель (при необходимости)
3.1.1 Наполнители
В таблице приведены краткие характеристики используемых наполнителей.
Таблица 3 – Свойства наполнителей
|
сос-тав |
Наполни-тель |
Насып-ная плот-ность |
Истин-ная плот-ность |
Пустот-ность |
Описание компонента |
|
|
|
|
|
|
|
|
кремнеземистые |
серпенти-нит |
840 |
2600 |
67,69 |
Высокодисперсный порошок грязно-белого цвета с зеленоватым оттенком. В объеме представленной пробы агрегированных частиц не наблюдалось |
|
глина обожжен-ная |
918 |
2708 |
66,10 |
Дисперсный порошок бурого цвета. В объеме представленной пробы агрегированных частиц не наблюдалось. |
|
|
песок молотый |
908 |
2497 |
63,64 |
Дисперсный порошок беловатого цвета с серо-желтым оттенком. В объеме пробы нет агрегированных частиц. |
|
|
карбонатные |
магнезит |
968 |
2586 |
62,57 |
Дисперсный порошок нежно белого цвета, с желтоватым оттенком. В объеме представленной пробы содержится незначительное количество агрегированных частиц. |
|
шлам водоумяг-чения ТЭЦ |
812 |
2727 |
70,22 |
Дисперсный светло-серый порошок, с характерными пористыми зернами. Наблюдалось наличие агрегированных частиц. |
|
|
молотый известняк |
860 |
2532 |
66,03 |
Дисперсный порошок сероватого цвета. Отличается плотной упаковкой частиц. |
|
|
мел |
912 |
2720 |
66,47 |
Ярко белый дисперсный порошок. Содержится большое количество частиц овальной формы с рваной поверхностью. |
|
|
маршалит |
884 |
2590 |
65,87 |
Светло-белый дисперсный порошок. В рассматриваемом объеме нет агрегированных частиц. |
|
|
Переменного стостава |
шлак электро-сталепла-вильный |
928 |
2770 |
66,50 |
Дисперсный порошок грязно белого цвета, с сероватым оттенком. В рассматриваемом объеме незначительное число агрегированных частиц. |
Оценка индивидуальных структурных особенностей наполнителей проводилась посредством микроскопа с 15-ти кратным увеличением. Схемы структуры и формы зерен наполнителей представлена в таблице.
Таблица 4 – Структурная характеристика зерен компонентов различных минеральных основ
|
Наименование |
Форма зерна |
Схема взаимодействия с водой |
|
1 |
2 |
3 |
|
Песок
|
|
Хорошо смачивается водой |
|
Шлам водоумягчения ТЭЦ |
|
Впитывает воду с увеличением размеров |
|
Шлак электросталеплавильный |
|
Плохо смачивается |
|
Известняк |
|
Хорошо смачивается водой |
|
Мел |
|
Смачивается удовлетворительно с разрыхлением поверхности |
|
Серпентинит |
Смачивается удовлетворительно, много впитывая |
|
|
Магнезит |
Смачивается удовлетворительно |
|
|
Глина обожженная |
Хорошо смачивается водой разбухая |
|
|
Маршалит |
Смачивается водой удовлетворительно |
Как видно из представленных схем, наиболее плотные частицы дисперсной фазы - молотый песок и известняк. Можно предположить, что рваная форма зёрен будет способствовать дополнительному упрочнению твердеющего вяжущего, а следовательно, и растворов на его основе за счёт механического сцепления частиц между собой.
Зёрна шлама обладают округлой формой, характеризуются гладкой поверхностью. Благодаря высокой микропористости частицы шлама при взаимодействии с водой впитывают её, увеличиваясь в размерах. В процессе перемешивания они легко деформируются и покрывают его зёрна вяжущего. В результате чего между частицами вяжущего образуются тонкие, но сильно пористые прослойки.
Молотая обожженная глина представляет собой порошок бурого цвета. В объёме представленной пробы агрегированных частиц не наблюдалось. Порошок хорошо смачивается водой образуя пластичную массу. Форма частиц глины овальная, ядро слегка пористое.
Представленная проба серпентинита представляет собой сильнодисперсный серый порошок с зеленоватым оттенком. Сама порода ультраосновная по составу, с химической формулой Mg3[Si2O5](OH)4. Зерно серпентинита слегка пористое с угловатой поверхностью.
Высокая дисперсность серпентинита и магнезита делает их пригодными для использования в качестве основных наполнителей в шпаклёвочных смесях (зеленоватых тонов) для выравнивания и декоративной отделки. Серпентинит широко используется в качестве, тонкого наполнителя в декоративных смесях и в качестве декоративной крошки для фасадной отделки. Для применения в строительных смесях иного назначения рационально использовать серпентинит значительно более грубого помола или в качестве добавки. Высокая дисперсность молотой обожженной глины дает возможность применения в качестве основного наполнителя в выравнивающие и декоративные шпаклёвочные смеси (коричневых тонов).
Шлак представляет собой многокомпонентную систему. Форма зерен шлака практически идеальная округлая, ядро плотное, плохо смачивается водой. Шлак увеличивает общую пористость системы главным образом, за счёт неоптимальности гранулометрического состава, приводящего к увеличению межзерновой пустотности.
Маршалит – дисперсный порошок белого цвета с неровной поверхностью зерна. Микропористость его частиц, способствует возрастанию водопотребности.
На основе результатов структурного анализа можно определить наиболее перспективные направления использования вышепредставленных компонентов в составе гипсовых сухих строительных смесей.
Благодаря высокой огнеупорности магнезит и глина могут применятся (в системе с соответствующим вяжущим) в защитных огнеупорных сухих смесях.
Шлак может вводиться для экономии извести в гипсовых смесях, но с водоудерживающими добавками.
Введение определённого количества шлама водоумягчения ТЭЦ в вяжущую систему позволяет изменять комплекс её структурно-механических свойств: регулировать вязкость, замедлять схватывание. Его эффективно применять при разработке облегчённых гипсовых композитов или сухих смесей включающих пластификаторы, так как данный компонент хорошо впитывает воду.
Песок и известняк можно применить в инъекционных, монтажных или ремонтных составах, которые должны обладать высокой адгезией к различным основам. Данные наполнители эффективно использовать для кладочных и плиточных растворов. Песок можно ввести в состав усиливающих и выравнивающих штукатурок, так как его зерна характеризуются высокой плотностью. В противоположность этому известняком нельзя наполнить растворы, используемые для тонкого нанесения в следствии хрупкости зерен данного наполнителя.
Белый цвет маршалита, а так же почти гладкая поверхность его зерна позволяет использовать его для шпаклевочных смесей, а так же в смесях для декоративной отделки.
Мел эффективно использовать для белых шпаклевок для финишной отделки стен, потолков, а так же в наливных полах с целью уплотнения структуры затвердевшего раствора, снижения риска усадочных деформаций. Возможно применение в выравнивающих тонких штукатурках.
3.1.2 Добавки
В качестве модифицирующих добавок использовались: «Хидетал-П-5», суперпластификатор С-3, гиперпластификатор Peramin.
Хидетал-П-5 - суперпластификатор – ускоритель - ингибитор. Соответствует ТУ 5745-005-57330160-05.
Свойства добавки П - 5:
-дозировка: 0,1-0,7 % от массы вяжущего;
-набор прочности: 70-80 % от проектной за 24 часа без ТВО в зависимости от качества вяжущего;
-уменьшает расход вяжущего до 20% при сохранении проектных прочностных характеристик;
-снижение водопотребности смеси до 23%;
-снижение водопоглощения камня на 7-12%.
Суперпластификатор С-3 - добавка на основе натриевых солей продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида. Жидкость темно-коричневого цвета или не слеживающийся порошок, хорошо растворимый в воде.
Разработка российских специалистов НИИЖБа. Является аналогом зарубежных суперпластификаторов типа "Майти 100" (Япония), сикамент, мельмент (Германия), не уступая им по качеству. Соответствует ТУ 6-36-0204229-625.
Свойства:
-увеличение текучести растворных смесей в 6-7 раз;
-снижение водопотребности смеси на 15% ;
-повышение прочности (на 10-15 МПа), плотности и однородности камня, улучшение его структуры;
-получение гладкой высококачественной лицевой поверхности изделий различной формы;
-увеличение водонепроницаемости, морозо- и коррозионной стойкости камня в 2-4 раза;
-легко смешивается с другими добавками (гидрофобизаторы, ускоряющие, замедляющие, воздухововлекающие и др. добавки), не вступая в химическую реакцию с ними и сохраняя свои свойства;
-в процессе эксплуатации не оказывает вредного воздействия на организм человека и окружающую среду.
Гиперпластификатор Peramin – высокоэффективный
суперпластификатор или дегидрант широкой сферы применения, белый порошок сульфоната меламина.
Свойства:
-насыпная плотность 0,75 кг/дм3±0,05 кг/дм3;
-твердое содержимое 100% ;
-эквивалент Na2O < 13% ;
-содержание хлорида < 0,05%;
-значение pH 9,5±1,0;
-активные компоненты полимер на основе меламина;
-цвет почти белый;
-побочный эффект введение – нет;
-побочный эффект передозировки - замедление схватывания.
Комплексная модификация пластифицированных гипсонаполненных вяжущих осуществлялась посредством трехфакторного плана эксперимента. Использовались следующие добавки: стеарат цинка, фибро Teсhnocel 500-1, лимонная кислота.
Х1- содержание гидрофобизатора стеарат цинка - Zincum 5.
Представляет собой однородный тонкий, мягкий аморфный порошок белого цвета. Является поверхностно-активным веществом. Применяется в качестве активатора вулканизации и пластификатора резин. Особенно рекомендуется для изготовления прозрачных резин. Применяется также для пластификации резиновых смесей. Используется в качестве припудривателя для предотвращения слипания резиновых смесей и изделий. Антиблокирующая смазка в производстве каучуков. Дозировка стеарата цинка при использовании в качестве активатора вулканизации и пластификатора резин 2 - 5% масс.
Стеарат цинка используется в качестве смазывающего агента при переработке целого ряда пластмасс. Является термо- и свето стабилизатором изделий из ПВХ, обычно вводится совместно со стеаратами кальция, свинца, бария, кадмия (при производстве линолеума, искусственных кож, обувных пластикатов, упаковочной пленки и т.д.). Дозировка при использовании в композициях пластмасс 0,1 - 1% масс.
В производстве пресс-порошков стеарат цинка используется в качестве смазывающего вещества, предотвращает прилипаемость пресс-материалов к валкам, шнекам в процессе изготовления и к формам при переработке в изделия. Уплотняющая смазка в сложноэфирных пропитках для листовых формовочных материалов, стеклонаполненных премиксов и т.п.
В парфюмерной промышленности стеарат цинка вводится в косметические порошкообразные средства, пудру как гидрофобизирующий компонент. В плотных порошках улучшает прилипание и покровность порошков. В строительстве используется как гидрофобная добавка для сухих штукатурных смесей.
Физико-химические показатели стеарата цинка:
-плотность: 1,1 г/см³;
-температура плавления не менее 110 °С;
-температура вспышки: 277 °С;
-температура самовоспламенения: 420 °С;
-не растворяется: в воде, кетонах, эфирах;
-растворяется в бензоле;
-растворяется в этаноле;
-растворяется в толуоле и метаноле;
-частично растворяется в разбавленных минеральных кислотах;
-мелкодисперсные частицы в воздухе образуют взрывоопасные смеси;
-горюч, в огне выделяет раздражающие или токсичные пары (газы, включая оксид цинка).
Для повышения деформативных характеристик гипсовых смесей эффективно дисперсное армирование фиброволокнами.
Х2 – армирующая добавка фибро Teсhnocel 500-1.
Волокна целлюлозы TECHNOCEL- армирующий компонент для сухих строительных смесей в виде волокон длиной от 20 до 2500 мкм, диаметром около 25 мкм Нерастворимы в воде, кислотах и щелочах, органике. Дозировка 0-0,5 % массы компонентов смеси.
Производитель фирма CFF (Германия).
Фибра используется для предотвращения появления пластических усадочных трещин для полов промышленных помещений, складов, теплых полов, стяжек, гидротехнических сооружений, в дорожном строительстве, в торкретбетоне, пенобетонных блоках. Фиброволокно также эффективно в строительных растворах, ремонтных составах, штукатурках и сухих смесях.
В качестве замедлителя сроков схватывания используется лимонная кислота.
Лимонная кислота Х3 — бесцветные прозрачные ромбические кристаллы или белый порошок приятного кислого вкуса.
Трехосновная органическая оксикислота, проявляет свойства многоосновных карбоновых кислот.
Кристаллогидрат плавится при 70—75°С, безводная при 153°С, при нагревании до 100°С теряет кристаллизационную воду, выше 175 °С переходит в аконитовую кислоту.
В сухом помещении выветривается при 30 °С.
Очень хорошо растворяется в воде (133 г при 20°С и 200 г при 100 °С в 100 мл) и в этаноле. Плохо растворяется в органических растворителях. Водные растворы лимонной кислоты легко плесневеют.
Лимонная кислота используется как недорогой, но эффективный замедлитель схватывания и пластификатор. Замедление сроков схватывания позволяет расширить время работы с материалом до нескольких часов без увеличения воды и без потери конечной прочности в таких условиях, как жаркая погода и нанесение материала на большую площадь.
Приблизительная дозировка в гипсовых растворах 0-0,5 % от массы вяжущего.Дозировка кислоты должна быть подобрана для каждой конкретной рецептуры в зависимости от требуемой скорости схватывания в процессе производства и применения вяжущего.
3.2 Влияние наполнителей различной природы на свойства гипсового вяжущего
Для обработки результатов исследований применялись статистические и математические методы. Изучение структуры проводилось с помощью нормированных методик, микроскопических наблюдений и электронной микроскопии. В работе использованы данные геологических изысканий месторождений ской области и результаты НИР по утилизации отходов региона. В качестве исходных компонентов применялись местное сырье, отходы промышленности (мел, известняк, магнезит, обожженная глина, серпентинит, шлам водоумягчения ТЭЦ, шлак ЭСП, песок, маршалит) и модифицирующие добавки различного функционального назначения. Исследования проведены с использованием оборудования кафедры технологии строительных материалов и изделий, ИЦ «Оренбурстройиспытания», НИИ «Строительное материаловедение» и института микро- и нанотехнологий ФГБОУ ВПО «ОГУ».
Отделка помещений гипсовыми смесями способствует нормализации микроклимата, но несмотря на этот факт исследование в области наполнения их компонентами различной минеральной природы актуально. Это связано с тем, что материалы характеризуются различными структурными показателями. Их применение в составе гипсового вяжущего приводит к изменению комплекса реологических и физико-механических свойств всей системы. Кроме того, сопутствующей целью новых изысканий служит получение экономического эффекта удешевления продукта, увеличение срока службы, исключение имеющихся недостатков. Высокой водостойкости гипсонаполненных систем при прямом контакте с влагой добиться сложно. Однако, исключение интенсивного старения камня, вызываемого адсорбцией влаги из воздуха, возможно посредством оптимизации его внутренней и поверхностной структуры в присутствии различных наполнителей.
На первом этапе была выявлена зависимость реологических свойств минеральной системы от количества вводимого наполнителя.
3.2.1 Реологические характеристики гипсонаполненных систем
Из графика на рисунке видно, что испытываемые наполнители по разному влияют на реологию смеси. Это обусловлено разнообразными структурными характеристиками материалов (Таблица). Так, наиболее интенсивно повышение водопотребности отмечается при вводе магнезита, маршалита, серпентинита, шлама, мела, что коррелирует с их значительной пористой структурой зерен. Более плотные компоненты - песок, глина, известняк – практически не оказывают влияния на данную характеристику.
Рисунок 1 - Зависимость нормальной густоты смеси от % вводимой добавки наполнителя
Системы, содержащие известняк и песок имеют схожие показатели водопотребности: при увеличении содержания наполнителей от 5% до 50% нормальная густота увеличивается от 38% до 42%.
Композиции гипс-маршалит и гипс-магнезит при увеличении их доли от 5% до 50% имеют следующие показатели: от 43% до 54%, от 40% до 52% соответственно.
При введении мела от 10% до 50% водопотребность системы растет от 38% до 48%.
Можно сделать вывод о том, что испытываемые наполнители по разному влияют на водопотребность смеси. Полученные показатели неотъемлемо связаны со структурой материалов (Таблица ). Как видно из микроскопического анализа, чем лучше наполнитель смачивается водой, тем более высокой водопотребностью он обладает.
Следующим этапом испытаний является выявление сроков схватывания композиций «гипс- наполнитель».
Рисунок 2 – Зависимость начала сроков схватывания систем от количества наполнителя
Рисунок 3 – Зависимость конца сроков схватывания систем от количества наполнителя
Наиболее быстрым схватыванием обладает система «гипс – шлак электросталеплавильный» - 6-8мин., наиболее долгим – «гипс - сепентинит» - 7-17мин. Известняк, мел, маршалит, серпентинит, песок, глина, шлам имеют схожие сроки начала и конца схватывания 8-14мин. и 19-20мин. Причем при увеличении доли наполнителя сроки схватывания растут.
Мел и серпентинит обладают большой водопотребностью и в следствие этого оттягивают начало схватывания. Это явление наблюдается благодаря тому, что их частицы уменьшают площадь контактов гипса, соответственно, рост кристаллов происходит с меньшей скоростью. С увеличением их концентрации в смеси происходит уменьшение вяжущего компонента композиции.
Результаты сроков схватывания коррелируют с величинами нормальной густоты.
3.2.2 Физико-механические свойства гипсонаполненных систем
Наполнение гипсового вяжущего дисперсными компонентами отразилось на прочностных показателях, которые определялись в возрастах 2ч, 7суток. Наполнение вяжущего инертными составляющими снижает прочностные характеристики, но с учетом природы наполнителя, его структуры, водопотребности системы и количества скорость падения прочности различна.
Рисунок 4 - Прочность камня при изгибе в зависимости от содержания
наполнителя в возрасте 2 ч.
Как видно из графиков на рисунках 4,5 при увеличении доли наполнителей наблюдается падение прочности. Анализируя зависимости прочности по мере наполнения гипса можно сказать, что при увеличении количества наполнителя как при изгибе, так и при сжатии она снижается. Более интенсивный спад наблюдается у систем «гипс - серпентинит», «гипс - шлам».
Рисунок 5 - Прочность камня при сжатии в зависимости от содержания
наполнителя в возрасте 2 ч.
Серпентинит обладает большой водопотребностью вследствие своей пористой структуры. Благодаря высокой микропористости частицы шлама при взаимодействии с водой впитывают её, увеличиваясь в размерах. В процессе перемешивания они легко деформируются и покрывают его зёрна вяжущего. В результате чего между частицами вяжущего образуются тонкие, но сильно пористые прослойки. При увеличении доли этих наполнителей от 10% до 50% падение прочности выглядит так: у серпентинита при сжатии от 130 до 20 кгс/см2, при изгибе от 60 до 40 кгс/см2; у шлама при сжатии от 130 до 40кгс/см2, при изгибе от 60 до 25 кгс/см2.
Рост содержания магнезита и шлака также приводит к падению прочности как при сжатии, так и при изгибе. Но в данном случае снижение прочности происходит более равномерно. Так, при количестве магнезита 10% предел прочности при сжатии составляет 132кгс/см2, при изгибе 55кгс/см2; при 50% Rсж=60кгс/см2, Rизг=25кгс/см2.
Важно отметить, что мел и известняк ведут себя не так как другие. Так, при увеличении содержания известняка до 35% происходит несущественное снижение прочности до 64 кгс/см2 при изгибе, до 149 кгс/см2 при сжатии. Ввод более 35% характеризуется резким сбросом данных характеристик, что объясняется сильно возросшей внутренней дефектностью структуры камня. Тенденции изменения прочности при введении мела аналогична, однако при дозировке 35% она составила: на сжатие 142 кгс/см2, на изгиб 59 кгс/см2.
Тенденция изменения прочности образцов в возрасте 7 сут. аналогична 2-часовым испытаниям (см. Рисунок 6,7). Но результаты пределов прочности 7-суточных образцов немного выше, это происходит вследствие интенсивной миграции влаги из внутренних слоев вовне.
Рисунок 6 – Предел прочности гипсового камня при сжатии в возрасте 7 сут.
Рисунок 7 – Предел прочности гипсового камня при изгибе в возрасте 7 сут.
На гипсовое вяжущее благоприятное влияние оказали добавки мела и известняка в количестве до 35%, которые приняты нами в качестве минеральных основ для модификации в дальнейшем продуктами строительной химии.
3.3 Модификация гипсонаполненных вяжущих
Модификация гипсонаполненных систем осуществляется посредством различных химических добавок. Основным компонентом в производстве сухих строительных смесей являются химические модифицирующие добавки.
В качестве модифицирующих добавок использовались:
- комплексная добавка «Хидетал-П-5», представляющая собой смесь неорганических солей натрия и калия, пластификатора и ингибитора. Добавка обладает пластифицирующим действием, ускоряет твердение, повышает прочность;
- суперпластификатор С-3 повышает текучесть смеси для возможности использования как при ручном, так и автоматизированном способе проведения строительных работ. Представляет собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы;
-гиперпластификатор Peramin обеспечивает сильный диспергирующий эффект, повышает текучесть раствора, снижает усадку и повышает прочность.
Данные суперплатификаторы вводились в смесь с целью повышения прочности, пластичности массы, уменьшения водопотребности гипсового теста.
Так как гипсовое тесто имеет свойство очень быстро схватываться, то в систему необходимо вводить добавки-замедлители схватывания.
В этом качестве выступают добавки на основе лимонной и винной кислот. Лимонная кислота - органическая кислота с общей формулой C6H8O7. В чистом виде – белый кристаллический порошок кислого вкуса, растворимый в воде, спирте и эфире. В воде лимонная кислота диссоциирует, ее анион называют цитратом. Получают лимонную кислоту из таких природных продуктов, как плоды цитрусовых, а также путем сбраживания глюкозы или химического синтеза.
Для повышения деформативных характеристик гипсовых смесей эффективно дисперсное армирование фиброволокнами Teсhnocel 500-1.
В качестве гидрофобной добавки для повышения долговечности используется гидрофобизатор стеарат цинка.
3.4 Модификация гипсонаполненного вяжущего пластификаторами
Цель данного этапа работы - исследование характеристик гипсонаполненного вяжущего при введении суперпластификаторов – С-3, Peramin, П-5. Количество суперпластификаторов варьировалось от 0 до 0,7% от массы гипса. Содержание данных добавок свыше 0,7 % недопустимо, т.к. проявляется эффект передозировки и прочностные показатели резко снижаются. Т.е. можно сказать, что характеристики раствора при модификации минеральной части добавками в допустимых пределах близки к значениям показателей немодифицированных растворов при одном и том же водотвердом отношении. Определялись нормальная густота, сроки схватывания гипсового теста и прочностные характеристики.
3.4.1 Влияние пластификаторов на реологические свойства гипсонаполненного вяжущего
Введение модификаторов приводит к уменьшению водопотребности вяжущего. Использование П-5 незначительно снижает нормальную густоту теста – с 50% до 45%. Добавка Peramin в количестве 0,7% уменьшает водопотребность на 7%. Его компонент - меламиновый полимер благодаря своей способности активно адсорбироваться на поверхности частиц гипса образует тончайший моно- или бимолекулярный слой, при этом уменьшается межфазовая энергия сцепления и облегчается дезагрегация частиц, что согласуется с исследованиями, проводимыми в строительном университете в г. Набережные Челны. Применение С-3 плавно понижает нормальную густоту теста– с 50 до 43 %.
а
б
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок 8 – Влияние пластификаторов на нормальную густоту гипсонаполненного вяжущего
Что касается гипсо - известняковой системы то можно наблюдать аналогичную картину. П5 снижает водопотребность с 40% до 35%; Peramin уменьшает до 34%; С3 – до 33%.
Все вводимые модификаторы проявили пластифицирующий эффект и снизили водопотребность вяжущего. Это, безусловно, должно сказаться на скорости первичного структурообразования, о чем можно судить по срокам схватывания.
При вводе добавки П-5 начало схватывания гипса не изменяется, это происходит вследствие медленной растворимости модификатора в воде. С увеличением содержания в смеси суперпластификатора С-3 наблюдается линейная зависимость ускорения начала схватывания - с 6 до 3 мин. При добавлении Peramina приближение срока начального структурообразования происходит по нелинейной зависимости - с 6 мин до 3 мин.
Введение всех суперпластификаторов в смесь приводит к ускорению конца схватывания. Наименьшим временем конца схватывания характеризуется композиция, в состав которой вводится С-3 в количестве 0,7%, и составляет 4 мин. При введении добавок Peramin или П-5 конец схватывания также ускоряется, но не в столь значительной степени.
Введение пластифицирующих добавок оказывает влияние на сроки схватывания как гипсо - меловой, так и гипсо - известняковой систем. Начало сроков схватывания необходимо отрегулировать посредством замедлителя.
Основным критерием выбора оптимальной дозировки пластифицирующей добавки является реология смеси, однако необходимо учитывать физико-механические свойства камня.
3.4.2 Влияние пластификаторов на физико-механические свойства гипсонаполненного вяжущего
Следующим этапом работы стало изучение добавок-модификаторов на свойства вяжущего камня. Образцы испытывались после 2 часов и семисуточного твердения для прослеживания кинетики набора прочности.
а
б
а – Предел прочности при изгибе; б – при сжатии;
Рисунок 9 – Влияние пластификаторов на прочностные показатели гипсо - меловой системы в возрасте 2ч
Рассмотрим влияние пластификаторов на гипсо - меловую систему.
С увеличением количества П-5 в композиции наблюдается равномерное снижение прочности при сжатии с 140 кгс/см2 до 134 кгс/см2, при изгибе с 60кгс/см2 до 53кгс/см2.
При введении С-3 в количестве 0,1-0,3% наблюдается скачок прочности вверх, но при увеличении доли резкий сброс данной характеристики.
Что касается добавки Peramin, то система обладает наиболее высокими прочностными показателями по сравнению с П5 и С-3. Peramin хорошо растворим и активно проявляет свой эффект уже на стадии перемешивания.
Показатели прочности при сжатии аналогичны пределам прочности при изгибе.
Так, наиболее высокими прочностными характеристиками обладают системы, содержащие С-3 и Peramin, низкими показателями обладает композиция с П5. Этот факт может быть связан со сроками схватывания. Пластификатор П5 медленно растворяется в воде, вследствие и замедляется начало схватывания системы. Рост прочности при введении Peramin в количестве 0,3-0,5% при изгибе, 0,2-0,4% при сжатии объясняется быстротой первичного структурообразования.
Все пластификаторы снижают прочность по-разному, но в зависимости от количества добавки возможен и ее прирост.
Рассмотри гипсо – известняковую систему.
а
б
а - Предел прочности при изгибе; б – при сжатии
Рисунок 10 – Влияние пластификаторов на прочностные показатели гипсо - известняковой системы в возрасте 2ч
При увеличении содержания пластификатора Peramin до 0,3 % от массы минеральной части приводит к повышению прочностных показателей камня, как при сжатии, так и при изгибе, наблюдается ускорение набора прочности. При дальнейшем повышении содержания Peramin проявляется эффект передозировки, и прочностные показатели резко снижаются.
Но самые низкие показатели прочности имеются в гипсо – известняковой системе с содержанием П5. По аналогии с композицией гипс – мел при увеличении П5 происходит только спад исследуемого показателя с 65кгс/см2 при изгибе до 60 кгс/см2, с 150 кгс/см2 при сжатии до 145 кгс/см2.
Добавка С3 занимает промежуточное место. Незначительный прирост прочности все же имеет место быть. При увеличении ее доли до 0,2% прочность при сжатии составляет 152 кгс/см2, при изгибе – 67 кгс/см2.
Естественно, что прочность 7-суточных образцов возросла по сравнению с результатами в возрасте 2ч. Рассмотрим влияние добавок на пределы прочности гипсо- меловой, - известняковой, композиций в
7-суточном возрасте.
а
б
а - Предел прочности при изгибе; б – при сжатии
Рисунок 11 – Влияние пластификаторов на прочностные показатели гипсо- меловой системы в возрасте 7 сут.
Испытания, проведенные спустя 7 суток твердения, позволили проследить кинетику твердения композитов. Наиболее высокой прочностью обладает системы, в состав которых вводится 0,7 % суперпластификатора П-5. Более низкими прочностями характеризуются композиции, содержащие добавки Peramin и С-3. При вводе небольшого количества (до 0,2%) С-3 прочность образцов суток возрастает, но при дальнейшем увеличении содержания в смеси наблюдается снижение прочности.
Испытания систем гипса с мелом и известняком, проведенные спустя 7 суток твердения, позволили получить еще результаты. Самыми высокими показателями как при изгибе так и при сжатии обладают смеси с добавкой 0,7 % П-5. Значения, полученные с добавлением того же количества в смесь Peramin или суперпластификатора С-3, уступают этим композиции.
Сравнивая полученные характеристики на раннем этапе твердения с показателями, полученными после 7 суток, можно заметить изменение характера набора прочности. Так, при сроке твердения 2ч наиболее высокими показателями обладает смесь с добавкой Peramin. В семисуточном возрасте система, содержащая данный модификатор, существенно уступает по прочностным характеристикам композиции, в состав которой входит
П-5.
а
б
а - Предел прочности при изгибе; б – при сжатии
Рисунок 12 – Влияние пластификаторов на прочностные показатели гипсо- известняковой системы в возрасте 7 сут.
Анализ полученных зависимостей показывает индивидуальный характер изменения механических свойств твердеющих композитов. Это связано как с эффективностью воздействия химических добавок на минеральные составы и их природой, так и с перераспределением структуры по мере твердения. Изменение пористости существенным образом влияет на миграцию влаги, которая находится как внутри наполнителя, так и в межкристаллизационном пространстве.
В результате проведенных исследований можно определить перспективные направления использования суперпластификаторов:
1 П-5 - рационально использовать в составе сухих строительных смесях, контроль физико-механических характеристик которых происходит в возрасте 7 суток. Несмотря на низкую скорость набора прочности в начальные сроки твердения по сравнению с другими составами, данный модификатор позволил повысить конечные механические характеристики. Незначительное влияние на реологические характеристики смеси можно объяснить замедленным растворением его в воде при затворении.
2 Благодаря хорошей растворимости Peramin активно проявляет свой эффект уже на стадии перемешивания. Значительно повышая подвижность смеси и ее водопотребность, он рекомендуется для применения в модифицированных вяжущих и в сухих строительных смесях для придания определенных реологических свойств.
3 Добавка С-3 занимает промежуточное значение между П-5 и Peramin. Возможно ее использование как в сухих строительных смесях, так и в вяжущих в качестве модификаторов прочности и реологических свойств.
Исходя из полученных результатов принимаем количество добавки Хидетал П-5 для дальнейших исследований 0,7 % от массы гипса.
3.5 Исследование комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем
3.5.1 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на реологические показатели
Для многих видов гипсовых материалов характерной особенностью является высокая скорость их схватывания, что вынуждает использовать тот или иной замедлитель, чтобы иметь в распоряжении достаточно времени для качественного выполнения работ по нанесению гипсовых составов на те или иные поверхности.
Дальнейшим этапом работы являлось исследование влияния замедлителей схватывания на реологию смеси. В качестве замедлителя схватывания использовалась добавка лимонной кислоты. Количество замедлителя варьировалось от 0 до 0,5%.
Результаты исследования представлены на рисунках. Исследуемыми характеристиками были сроки схватывания смеси, нормальная густота. При введении добавки в смесь наблюдается значительное замедление схватывания системы. Так, с увеличением кислоты в составе наблюдается увеличение сроков схватывания по линейной зависимости.
|
Х3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Х2 |
|
Х1 |
|
Х2 |
|
Х1 |
|
Х3 |
|
б |
|
а |
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок 13 – Изоповерхности нормальной густоты
3.5.2 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на физико-механические показатели
Важным показателем любой композиционной системы, применяемой в отделочных работах, является прочность. На этом этапе была произведена оценка влияния комплексной модификации на предел прочности при сжатии.
Для наглядности и последующего анализа результатов были построены изоповерхности физико – механических характеристик систем.
|
Х2 |
|
Х1 |
|
Х3 |
|
5 МПа |
|
7 МПа |
|
3 МПа |
|
8 МПа |
|
6 МПа |
|
4 МПа |
|
Х2 |
|
Х1 |
|
б |
|
а |
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок – Изоповерхности предела прочности при сжатии
Как видно по изоповерхностям рисунка наибольшее влияние на снижение прочности оказывают факторы Х1 и Х3, отвечающие за содержание гидрофобизатора и регулятора схватывания соответственно.
Так, при максимальном содержании добавок отмечается минимальная прочность системы - менее 4 МПа. При минимальном количестве гидрофобизатора и замедлителя схватывания прочность системы максимальна – более 8 МПа, однако тогда наблюдается низкая технологичность смеси.
Присутствие армирующих волокон практически не влияет на изменения прочности, тем более что введением волокна преследовалась цель повышения трещиностойкости.
Оптимальное содержание замедлителя схватывания – лимонной кислоты - в гипсо - меловой системе выбрано 0,25%, при этом начало схватывания системы – 77 мин.
Что касается гипсо - известняковой системы, то из рисунка видно: более значимый фактор Х1 - стеарат цинка, а меньше всего влияет на прочность Х3 – лимонная кислота. В данном случае армоволокно также инертно, не замечено никаких последствий его применения. При максимальном содержании гидрофобизатора и регулятора схватывания прочность минимальна и составляет менее 3 МПа. При минимальном количестве данных добавок прочность системы чуть меньше чем в гипсо – меловой системе - более 7 МПа.
Оптимальное содержание лимонной кислоты составило 0,5%, при этом начало схватывания системы – 73 мин.
3.5.3 Влияние комплексной модификации пластифицированных гипсонаполненных систем на структурные показатели
Важным структурным показателем любой системы является пористость. Изоповерхности пористости представлены на рисунке 14.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Х3 |
|
Х3 |
|
Х2 |
|
Х2 |
|
Х1 |
|
Х1 |
|
б |
|
а |
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок 14 – Изоповерхности пористости систем
Актуальной проблемой в строительстве является появление влажных пятен на отделочных покрытиях, что вызвано миграцией влаги вследствие ее капиллярного подсоса. Водопоглощение при капиллярном подсосе определяют по объему воды, поглощенной образцом, высушенным до постоянной массы, при атмосферном давлении за счет капиллярных или адсорбционных сил.
Наиболее прогрессивным методом снижения этого показателя является введение порошковых гидрофобизаторов (солей жирных кислот).
Водопоглощение при капиллярном подсосе проводилось по нормативной методике и рассчитывалось по формуле 1:
, (1)
где m1 – масса сухого образца, кг;
m2 - масса образца после насыщения водой, кг;
S - площадь увлажняемой грани образца, м2;
Kw - коэффициент, учитывающий время насыщения образца и
равный , ч-0,5.
Изоповерхности капиллярного подсоса влаги по мере комплексной модификации представлены на рисунке.
Гипсо - меловая система характеризуется более высокими значениями капиллярного подсоса влаги в сравнении с гипсо – известняковой. Это связано с внутренними структурными особенностями мела и известняка. Мел обладает большей водопотребностью чем известняк.
При вводе стеарата цинка в количестве 1% отмечено минимальное значение исследуемой характеристики, которая составляет для гипсо – известняковой системы менее 0,3 кг/м2∙ч0,5; для гипсо – меловой – менее 2 кг/м2∙ч0,5. Наиболее интенсивное снижение капиллярного подсоса в гипсо – известняковой системе отмечено при вводе стеарата цинка до 0,5%.
В гипсо – меловой системе активная работа гидрофобизатора отмечается при его максимальной дозировке.
Оптимальное содержание добавок по значению величины капиллярного подсоса влаги составляет 1% для гипсо – меловой, 0,5% для гипсо – известняковой.
|
Х3 |
|
Х3 |
|
Х2 |
|
Х1 |
|
Х2 |
|
0,3 кг/м2∙ ч0,5 |
|
Х1 |
|
1 кг/м2∙ ч0,5 |
|
0,7кг/м2∙ ч0,5 |
|
2 кг/м2∙ ч0,5 |
|
4 кг/м2∙ ч0,5 |
|
3 кг/м2∙ ч0,5 |
|
а |
|
б |
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок – Изоповерхности капиллярного подсоса влаги
Другая гидрофизическая характеристика, важная для отделочных покрытий, это водопоглощение при адсорбции влаги.
Поглощение какого-либо вещества (адсорбата) из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела (адсорбентом). Различают два вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию). Адсорбция играет важную роль во многих природных процессах, таких, как обогащение почв и образование вторичных рудных месторождений. Именно благодаря адсорбции осуществляется первая стадия поглощения различных веществ из окружающей среды клетками и тканями биологических систем, функционирование биологических мембран, первые этапы взаимодействия ферментов с субстратом, защитные реакции против токсичных веществ. В промышленности адсорбцию осуществляют в специальных аппаратах — адсорберах; применяют для осушки газов, очистки органических жидкостей и воды, улавливания ценных или вредных отходов производства.
Оценка данного показателя производилась по изменению массы образцов, выдерживаемых в эксикаторе над водой. Изоповерхности водопоглощения при адсорбции влаги представлены на рисунке.
Как и при капиллярном подсосе система «гипс - мел» обладает большей гигроскопичностью нежели система «гипс - известняк». На величину водопоглощения оказывает влияние фактор Х1. При максимальной его доли 1% в системе с мелом наблюдается снижение поглощения влаги, адсорбция составляет 0,5%. В случае с известняком количество стеарата цинка, достаточное для обеспечения снижения гигроскопичности, составило 0,5%.
|
0,9% |
|
0,5% |
|
0,4% |
|
0,5% |
|
Х3 |
|
Х3 |
|
Х1 |
|
Х2 |
|
Х2 |
|
0,3% |
|
0,7% |
|
Х1 |
|
б |
|
а |
а – Гипсо – меловая система; б – гипсо – известняковая система
Рисунок – Изоповерхности водопоглощения адсорбции влаги
Таким образом, результаты величин водопоглощения при адсорбции и капиллярном подсосе коррелируют друг с другом. Значит, для достижения оптимума необходимо вводить 1% гидрофобизатора в систему гипса и мела, и 0,5% в гипсо – известняковую.
Список использованных источников
1 Современное состояние и перспективы развития строительного
материаловедения / Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН // Сборник докладов. [Электронный ресурс]. - Изд-во Самарского государственного архитектурно-строительного университета. – Самара. 2010. – 692 с.
2 Иванов В. П. Состояние и перспективы российской химической и нефтехимической промышленности 2011 - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.chemsummit.ru/old/ru/main.htm
3 Юнис / Сухие строительные смеси / Каталог товаров ООО «УнистромТрейдинг» 2012. - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.unistrom.ru
4 Запевалова М.В. Строительные материалы и услуги /Обзор рынка сухих строительных смесей/, 2011.- № 6.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vashdom.ru/articles/strm_5.htm
5 Гемаддиев В. А.,. Зуев А. А., Осипов А.А. Российский рынок сухих строительных смесей /Как изменилось качество сухих строительных смесей за последние 5 лет?/, 2011- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vira.ru/exp/reviews/rusmarket_sss.html
6 Колотилкин А.А. Наука и жизнь /Сухие строительные смеси - века совершенствования/, 2012.- № 3.- [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.materinstvo.ru/art/6082
7 Коровяков В.Ф. Сухие строительные смеси /Гипсовые сухие смеси/, 2012.- № 8.- [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zbi-500.ru/helpinfo/articles/gipsovye-suhie-smesi
8 Гонтарь Ю.В., Чалова А.И. Опыт применения различных гипсовых вяжущих в производстве сухих строительных смесей, 2012 - [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://tdtova.ru/article/opit_primenenija_razlichnih_gipsovih_vjazhushhih_v.html
9 Медведев И.А., Мешков П.И. Строительная химия /Добавки для гипсовых систем/, 2011.- №5.- [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1434
10 Парикова, Е. В. Влияние карбонатных наполнителей на свойства сухих гипсовых смесей / Е. В. Парикова, В. А. Безбородов, Г. И. Бердов // Известия вузов. Строительство, 2009. - № 11/12. - С. 41-45.
11 Халиуллин, М. И. Влияние старения на физико-механические и структурные свойства многофазовых гипсовых вяжущих / М. И. Халиуллин // Известия вузов. Строительство, 2010. - № 10. - С. 25-29.
12 Зайцев В. Д. Использование модифицирующих добавок при производстве сухих строительных смесей // Строительные материалы. – 2001. - №8. – с 28.
13 Эффективные сухие строительные смеси на основе местных материалов: учеб. пособие для вузов / В. С. Демьянова.- 2-е изд., доп. - М. : АСВ, 2001. - 209 с. - Библиогр.: с. 193-206.
14 Дергунов, С. А. Проектирование составов сухих строительных смесей: монография / С. А. Дергунов, В. Н. Рубцова; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования ". гос. ун-т". - : ГОУ ОГУ, 2008. - 98 с. - Библиогр.: с. 90-97
15 Козлов, В. В. Сухие строительные смеси: учеб. пособие / В. В. Козлов . - М. : АСВ, 2000. - с 96.
16 Сулименко, Л. М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: учебник / Л. М. Сулименко.- 4-е изд., перераб. и доп. - Москва : Высш. шк., 2005. - 334 с. : ил. - Библиогр.: с. 332
17 Баженов, Ю. М. Технология сухих строительных смесей: учеб. пособие для вузов / Ю. М. Баженов, В. Ф. Коровяков, Г. А. Денисов . - М. : АСВ, 2003. - с 96
18 Шентяпин, А. А. Сухие смеси для отделочных и общестроительных работ: монография / А. А. Шентяпин. - Самара : Самарс. гос. арх.-строит. ун-т, 2004. - 119 с. - Библиогр.: с. 114-118
20 Пятин С.Г. Производство сухих строительных смесей: география поставок оборудования Вселуг / 6-я Международная научно-техническая конференция «Современные технологии сухих смесей в строительстве «MixBUILD» //Сборник докладов / Академический научно-технический центр «АЛИТ»,Санкт-Петербург. – М.: 2004. – С 26-29.
21 ГОСТ 125-79 Вяжущие гипсовые. Технические условия. Введ. с 01.07.80- М.: Изд-во стандартов, 1979.-14 с.
22 ГОСТ 23789-79 Вяжущие гипсовые. Методы испытаний. Введ. с 01.07.1980. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 12с.
23 ГОСТ 28013-98 Растворы строительные. Общие технические условия. Введ. с 29.12.1998. – М.: Изд-во стандартов, 1998. – 15с.
24 ГОСТ 31376-2008 Смеси сухие строительные на гипсовом вяжущем. Методы испытаний. Введ. с 01.07.2010. – ГОУ ВПО «СПбГАСУ», 2010. – 25с.
25 ГОСТ 31189-2003 «Сухие строительные смеси. Классификация». Введ. с 01.02.2004. – М.: Изд-во стандартов, 2004. – 12с.
26 ГОСТ 31377-2008 Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем. Технические условия. Введен с 01.07.2008г.: Издательство стандартов, 2008г, 3-15с.
27 ГОСТ 31386-2008 Смеси сухие строительные клеевые на гипсовом вяжущем. Технические условия. Введен с 01.07.2008г.: Издательство стандартов, 2008г, 3-12с.
28 ГОСТ 31387-2008 Смеси сухие строительные шпатлевочные на гипсовом вяжущем. Технические условия. Введен с 01.07.2008г.: Издательство стандартов, 2008г, 4-12с.
29 ГОСТ 24211-2003 Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. Введ. с 01.03.2004. – М.: Изд-во стандартов, 2004. – 12с.
30 ГОСТ 31356-2007 Смеси сухие строительные на цементном вяжущем. Методы испытаний. Введ. с 01.01.2009. – М.: Изд-во стандартов, 2004. – 17с.
31 ТУ 5745-005-57330160-05 Добавки – пластификаторы. Технические условия.
32 ТУ 6-36-0204229-625 Пластификаторы. Технические условия.
33 И.С.Лифанов Метрология, средства и методы контроля качества в строительстве / И.С.Лифанов, Н.Г.Шерстюков // Справочное пособие.- М.: Стройиздат, 1979. – 223 с.
34 Каталог продукции Единой торговой системы / Сухие строительные смеси // Выпуск III / Бетоны, растворы, Смесевые композиции, 2011 г.
35 Общероссийский строительный каталог: СК-4.4.2-2004; сухие строительные смеси / Росстрой . - М. : Изд-во ЦПП, 2006. Вып. 1 : . - , 2006. - 348 с.
36 СТО 02069024- 101-2010 Работы студенческие. Общие требования и правила оформления выпускных квалификационных работ, курсовых проектов (работ), отчетов по РТР, по УИРС, по производственной практике и рефератов Введ. С 25.12.2000.-: ОГУ, 2000.-62с.
Скачать: