CC BY
18УДК 691.553.2
С.А. СЕНЬКОВ1, канд. техн. наук ([email protected]), Н.С. СЕМЕЙНЫХ1, канд. техн. наук ^етеуп@ mail.ru); Г.И. ЯКОВЛЕВ2, д-р техн. наук ([email protected]), И.С. ПОЛЯНСКИХ2, канд. техн. наук
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29)
2 Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
Адгезионные свойства гипсового вяжущего в присутствии калийсиликатного цемента
Рассмотрена возможность повышения адгезионных свойств гипсовых вяжущих систем при применении калийсиликатного цемента в сочетании с органическими веществами-модификаторами. Определено влияние каждого из выбранных компонентов на основные свойства гипсовых отделочных смесей. Добавка калийсиликатного цемента повышает щелочность среды гипсового раствора, интенсифицирует процессы растворения и коллоидации полуводного сульфата кальция, ускоряет сроки схватывания массы и снижает ее водоудерживающую способность. Гипсовое вяжущее с добавкой калийсиликатного цемента обладает высокой прочностью сцепления с керамическим основанием. Подобраны порошкообразные органические вещества-модификаторы, позволяющие регулировать процессы схватывания и твердения гипсовых растворов с добавкой калийсиликатного цемента. Высокая адгезионная прочность к керамическому основанию растворов с органоминеральным модификатором обеспечивает значительную экономию гипсового вяжущего в составе отделочных смесей.
Ключевые слова: гипсовые отделочные смеси, калийсиликатный цемент, вещества-адгезивы, адгезионные свойства.
S.A. SENKOV1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), N.S. SEMEYNYKH1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]); G.I. YAKOVLEV2, Doctor of Sciences (Engineering), ([email protected]), I.S. POLYANSKIH2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Perm State National Research Polytechnic University (29, Komsomolskiy Avenue, Perm, 614990, Russian Federation)
2 Izhevsk State Technical University named after M.T. Kalashnikov (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, 426069, Russian Federation)
Adhesion Properties of a Gypsum Binder in the Presence of Potassium-Silicate Cement
A possibility of improving adhesion properties of gypsum binder systems when potassium-silicate cement is used in combination with organic substances-modifiers is considered. The influence of each selected component on basic properties of gypsum finishing mixes is defined. The addition of potassium-silicate cement increases the alkalinity of gypsum solution medium, intensifies processes of solution and colloiding of calcium sulfate hemihydrates, accelerates the setting time of the mass and reduces its water-retaining capacity. Gypsum binder with the addition of potassium-silicate cement has high adhesion strength to the ceramic base. Powder organic substances (modifiers) which make it possible to regulate processes of setting and hardening of gypsum solutions with the addition of potassium-silicate cement have been selected. High adhesion strength of mortars with an organic-mineral modifier to the ceramic base ensures the significant economy of the gypsum binder in the composition of finishing mixes. Keywords: gypsum finishing mixes, potassium-silicate cement, adhesive substance, adhesion properties.
Сухие гипсовые смеси для отделочных работ находят широкое применение в современном строительстве, но их состав и свойства постоянно совершенствуются, улучшаются, модифицируются. Необходимостью изменения состава является либо повышение вяжущих и адгезионных свойств смесей, либо экономия вяжущего вещества при сохранении адгезионных свойств смесей на необходимом уровне [1].
Целью проводимого исследования является определение возможности повышения адгезионной прочности к пористому основанию гипсовых вяжущих и сухих смесей на их основе при использовании органоминераль-ного модификатора.
В составе гипсовых штукатурных и шпаклевочных смесей, как правило, присутствуют порошкообразные наполнители, которые позволяют уменьшить количество вяжущего вещества.
Известно [2], что тонкодисперсный карбонатный наполнитель (известняковая мука) обладает повышенной реакционной способностью за счет активации его частиц при измельчении. Он заполняет полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция, что способствует увеличению прочности контактов между кристаллами, повышению плотности и, как следствие, увеличению прочности и долговечности затвердевших отделочных составов. Степень наполнения и удельная поверхность карбонатных наполнителей оказывает влияние и на водопотребность смесей. Она снижается на 10—15% при введении 5—20% тонкомолотого известняка. Однако при использовании добавки тонкомолотого известняка в сухие смеси на гипсовых вяжущих наблю-
дается повышение жесткости раствора и склонность к образованию трещин.
При изготовлении сухих гипсовых смесей, особенно предназначенных для производства штукатурных работ, большое значение имеет правильный выбор добавок, регулирующих начало и конец схватывания. В этом случае необходимо учитывать не только вид гипсового вяжущего, но и рН-среды приготовленного гипсового раствора [2].
Для замедления сроков схватывания и повышения адгезионных свойств растворов на основе гипсовых вяжущих, а также для улучшения удобоукладываемости в их состав вводят органические вещества-адгезивы.
Для нейтральной среды гипсового раствора эффективными замедлителями схватывания могут быть желатины — КМЦ, смесь лигносульфонатов, лимонная кислота.
Для гипсовых растворов с щелочной средой эффективными замедлителями схватывания являются винная кислота, а также замедлитель на основе винной кислоты и пластретарда (смесь лимонной кислоты с полифосфатами и желатином).
Роль пластифицирующей добавки и замедлителя сроков схватывания гипсового вяжущего выполняют также полимеры марки Vinnapaas R1 551 Z, RE 510 Z (0,3—1,5% от массы гипсового вяжущего) и др. вещества. Их введение значительно замедляет сроки схватывания смесей, но снижает огнестойкость изделий [1].
Ранее [3] показано, что для повышения адгезионных свойств в составе сухих смесей можно использовать минеральный модификатор, композиция которого бывает представлена различными составляющими.
h] ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2015
69
Результаты научных исследований
Таблица 1
Соотношение компонентов, % В/Т Сроки схватывания, мин Водоудержи-вающая способность, %
Гипсовая смесь КСЦ Начало Конец
100 - 0,55 10 12 99,45
98 2 0,55 9 11 99,03
95 5 0,55 3,5 6 98,56
90 10 0,55 Мгновенное схватывание 98,12
Таблица 2
Состав композиции, % Прочность на отрыв (МПа), в возрасте, сут
Гипс Г-5 КСЦ 3 5
100 - 0,05 0,51
98 2 0,61 0,74
95 5 1,3 1,66
90 10 0,59 1,3
В качестве минерального модификатора, повышающего прочность сцепления гипсовых смесей с основанием, может быть предложен калийсиликатный цемент (КСЦ), обладающий значительной адгезией к металлу, бетону, керамике, стеклу (авт. свид. № 571458 на изобр. Вяжущее / Федоров Н.Ф., Кожевникова Л.В., Семейных Н.С.).
Твердение калийсиликатного цемента обусловлено процессами гидратации тетрасиликата калия с образованием его кристаллогидрата, обеспечивающего высокие механические свойства цементного камня.
Одновременно при взаимодействии данного цемента с водой возникает щелочная среда (рН=12,2) как за счет высокой растворимости дисиликата калия, образующегося при синтезе наравне с тетрасиликатом калия, так и за счет гидролиза К2СО3 исходной шихты и образования бикарбоната калия (КНСО3). Щелочность среды способствует образованию в продуктах твердения большого количества геля кремниевой кислоты, что обеспечивает цементу высокое значение адгезионной прочности [4].
Для изучения влияния добавки калийсиликатного цемента на свойства гипсовой смеси проведены исследования зависимости сроков схватывания и водоудер-живающей способности гипсового теста от содержания компонентов. Величина водотвердого отношения для всех составов была принята равной 0,55. Результаты исследования представлены в табл. 1.
При испытании гипсовых смесей, содержащих добавку калийсиликатного цемента в количестве от 2 до 10%, выявлено, что она ускоряет схватывание гипсовой смеси и снижает ее водоудерживающую способность.
Данные результаты свидетельствуют о том, что введение калийсиликатного цемента интенсифицирует процессы растворения и коллоидации полуводного сульфата кальция за счет повышенной щелочности среды, что приводит к сокращению сроков схватывания массы. При этом в результате протекающего активного взаимодействия гипса с водой затворения и образования в большем объеме кристаллического сростка в ранние сроки повышается объем свободно выделяющейся воды, т. е. снижается величина водоудерживающей способности. Проведенный эксперимент позволяет квалифицировать калийсиликатный цемент как минеральный модификатор свойств гипсовых вяжущих.
Определение влияния минерального модификатора (калийсиликатного цемента) в составе смеси в количестве 2, 5 и 10% на адгезионные свойства гипса к керамическому полнотелому кирпичу в возрасте 3 и 5 сут воздушного твердения проводилось с использованием гипсового вяжущего Гипс Г-5 Ергачевского месторождения при величине водотвердого отношения 0,55.
Состав композиций на основе гипса и минерального модификатора и прочность на отрыв к керамическому кирпичу в возрасте 3 и 5 сут приведены в табл. 2.
Результаты определения адгезионных свойств гипсового вяжущего в присутствии минерального модифи-
катора (калийсиликатного цемента) показывают, что величина прочности на отрыв к керамическому кирпичу исследуемых композиций в возрасте 5 сут выше, чем у чистого гипса в 2—5 раз. Наилучшие результаты получены при содержании минерального модификатора 5%, когда прочность на отрыв в возрасте 3—5 сут составила 1,33—1,66 МПа соответственно. Увеличение содержания добавки модификатора до 10% приводит к снижению прочности на отрыв до 0,59 МПа в 3 сут и 1,3 МПа в возрасте 5 сут. Это можно объяснить резкой потерей подвижности массы за счет коротких сроков схватывания, когда структура еще недостаточно сформировалась в результате быстрого взаимодействия гипсовой составляющей с водой затворения.
Повышение адгезионной прочности гипсовых вяжущих в присутствии КСЦ обеспечивается также и за счет продуктов твердения самого калийсиликатного цемента, а именно геля кремниевой кислоты.
Известно [5], что сухие гипсовые смеси изготовляют с применением органических добавок, повышающих их прочность сцепления с основанием, а также обеспечивающих смесям пластифицирующий эффект. В то же время добавки-пластификаторы могут выполнять и роль замедлителей схватывания гипсовых вяжущих [2]. Так как установлено, что композиции на основе гипса и минерального модификатора при высоких адгезионных свойствах имеют короткие сроки схватывания, оказалось необходимым определить, какой вид органической добавки-пластификатора возможно использовать в составе таких композиций.
При проведении исследования были выбраны пластификатор и замедлители схватывания: пластификатор № 1; винная кислота (порошок); Retardan (50%) (жидкий). Добавки вводились в количестве 0,1% от массы смеси.
Зависимость сроков схватывания гипсового вяжущего от вида органического модификатора приведена в табл. 3.
При оценке влияния органического модификатора на сроки схватывания гипсового вяжущего установлено, что из проверенных органических модификаторов сильнодействующим эффектом обладает жидкий замедлитель схватывания Retardan (50%), но для сухой смеси желательно иметь порошкообразный замедлитель схватывания.
Из порошкообразных органических модификаторов высокий эффект замедления схватывания гипса показала винная кислота (замедление на 50% для начала схватывания и на 30% для конца схватывания).
Из литературы [2] известно, что винная кислота является эффективным замедлителем схватывания гипсового вяжущего теста, если присутствует щелочная среда. При постановке исследования в качестве минерального модификатора выбран калийсиликатный цемент, который обеспечил увеличение адгезионных свойств гипсового вяжущего в 3—4 раза.
Отмечено, что такое увеличение прочности на отрыв гипсового вяжущего с добавкой модификатора (КСЦ)
70
научно-технический и производственный журнал
январь 2015
jVJ ®
обеспечивается за счет щелочной среды, создаваемой им в гипсовом тесте и активизирующей взаимодействие сульфатов кальция с водой, а также за счет присутствия геля кремниевой кислоты. Однако выявлено, что введение только калийсиликатного цемента приводит к сокращению сроков схватывания гипса (в 2—2,5 раза).
Поэтому требовалось оценить влияние на физико-механические и адгезионные свойства гипсового вяжущего вводимого в его состав органоминерального модификатора (калиийсиликатного цемента и винной кислоты). В/Т=0,55 во всех экспериментах.
Зависимость физико-механических и адгезионных свойств гипсового вяжущего от содержания органоми-нерального модификатора (ОММ) приведена в табл. 4.
Из результатов проведенных исследований следует, что винная кислота почти полностью нейтрализует щелочную среду в гипсовом тесте, создаваемую калийси-ликатным цементом и обеспечивающую высокие адгезионные свойства гипсовому вяжущему.
Прочность на отрыв гипсового вяжущего в присутствии замедлителя — винной кислоты, меньше величины прочности на отрыв чистого гипса в 10 раз.
Прочность на отрыв гипсового вяжущего только с калийсиликатным цементом в той же дозировке (без введения замедлителя) была выше прочности гипса в 26 раз.
Выводы
1. Показано влияние добавки калийсиликатного цемента на сроки схватывания сухой гипсовой смеси. Выявлено, что при введении добавки КСЦ в количестве 5 и 10% от массы смеси сроки схватывания резко сокращаются от 10 до 3,5 мин или до мгновенного схватывания при замешивании смеси.
2. Установлено, что водоудерживающая способность сухой гипсовой смеси при добавке от 2 до 10% КСЦ снижается с 99,45 до 98,12%, т. е. смесь быстрее отдает избыток воды основанию.
3. Определено, что при введении добавки 5% КСЦ к гипсовому вяжущему его адгезионные свойства резко возрастают и составляют величину 1,3 МПа в возрасте 3 сут. Для чистого гипсового вяжущего эта величина составляет 0,05 МПа, что в 26 раз ниже приведенного значения.
4. Рассчитано, что для получения сухой штукатурной смеси с рекомендованной величиной прочности сцеп-
Таблица 3
Содержание компонентов, % Сроки схватывания, мин
Органический модификатор
Гипс Г-5 Пластификатор № 1 (порошок) Retardan (50%) (жидкий) Винная кислота (порошок) Начало Конец
100 - - - 7 13
99,9 0,1 - - 5 13
99,8 0,2 - - 8 13
99,9 - 0,1 - Отсутствие схватывания > 90
99,9 - - 0,1 11 17
Таблица 4
Состав композиции, % Сроки схватывания, мин Прочность на отрыв к кирпичу, МПа, в возрасте 3 сут
Гипс Г-5 ОММ Начало Конец
КСЦ Винная кислота (порошок)
100 - - 7 13 0,05
99,9 - 0,1 11 17 0,005
95 5 - 3,5 6 1,31
94,9 5 0,1 30 45 0,59
89,9 10 0,1 43 53 0,57
ления с основанием 0,5—0,6 МПа возможно использовать разработанный состав гипсового вяжущего с орга-номинеральным модификатором.
5. Количество добавки КСЦ может составлять всего 2,5% от массы гипса, а количество заполнителя — песка может быть увеличено до 10%, что в два раза превышает его содержание в стандартных штукатурных смесях.
Список литературы
1. Баженов Ю.М., Коровяков В.Ф., Денисов Г.А. Технология сухих строительных смесей. М.: АСВ, 2003. 96 с.
2. Ферронская А.В., Коровяков В.Ф., Баранов И.М. и др. Гипс в малоэтажном строительстве. М.: АСВ, 2008. 240 с.
3. Семейных Н.С., Сажина О.В. Композиционные гипсовые вяжущие для сухих строительных смесей. Строительство, архитектура. Теория и практика: Тезисы докладов аспирантов, молодых ученых и студентов на научно-практической конференции строительного факультета. Пермь: ПГТУ, 2008. С. 36—43.
4. Голубев В.А., Семейных Н.С., Сеньков С.А., Черем-ных И.Н. Процессы твердения и структурообразова-ния щелочесиликатных цементов. Строительство, архитектура. Теория и практика: Тезисы докладов аспирантов, молодых ученых и студентов на научно-практической конференции строительного факультета. Пермь: ПГТУ, 2007. С. 24-25.
5. Безбородов В.А., Белан В.И., Мешков П.И. и др. Сухие смеси в современном строительстве / Под ред. д.т.н. проф. В.И. Белана. Новосибирск: НГАУ, 1998. 94 с.
References
1. Bazhenov Yu.M., Korovyakov V.F., Denisov G.A. Tekhnologiya sukhikh stroitel'nykh smesei [Technology of dry construction mixes]. Moscow: ASV. 2003. 96 p.
2. Ferronskaya A.V. Korovyakov V.F., Baranov I.M. ets. Gips v maloetazhnom stroitel'stve. [Gypsum is a low-rise building]. Moscow: ASV. 2008. 240 p.
3. Semeinyh N.S., Sazhina O.V. Composite gypsum binder for dry construction mixtures. Construction, architecture. Theory and practice: Theses of reports of graduate students, young scientists and students at scientific and practical conference of construction faculty. Perm: PGTU. 2008, pp. 36—43. (In Russian).
4. Golubev V.A., Semeinyh N.S., Senkov S.A., Cheremnyh I.N. The curing process and structure of potassium-silicate cement. Construction, architecture. Theory and practice: Theses of reports of graduate students, young scientists and students at scientific and practical conference of construction faculty. Perm: PGTU. 2007, pp. 24—25. (In Russian).
5. Bezborodov V.A., Belan V. I., Meshkov P. I., etc. Sukhie smesi v sovremennom stroitel'stve. [Dry mixes in modern construction]. Edited by Belan V.I. Novosibirsk. NGAU. 1998. 94 p.
rj научно-технический и производственный журнал
М ® январь 2015 71
