CC BY
30
УДК 691.54:666.962
НИКИТИНА ОЛЬГА ВИТАЛЬЕВНА, аспирант, [email protected]
АНИКАНОВА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
ДИЗЕНДОРФ ТАМАРА ЕГОРОВНА, канд. техн. наук, доцент,
САДЫК КЫЗЫ ТАХМИНА, студентка,
Нт18.12.91@ mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭФФЕКТИВНЫЕ ПРОПИТКИ ДЛЯ ГИПСОСОДЕРЖАЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
В работе представлены результаты исследований по влиянию модифицированной полимерсиликатной жидкости (пропитки) на водопоглощение и прочность гипсосодер-жащих изделий на основе композиционных фторангидритовых вяжущих. Рассмотрен механизм взаимодействия модифицированной полимерсиликатной жидкости с гипсосо-держащим материалом. Установлено, что повышение водостойкости и прочности материала происходит за счет увеличения плотности структуры в результате кольматации пор поверхностного слоя силикатами кальция и микроармирования в объеме появляющимися новообразованиями, в том числе в порах изделий.
Ключевые слова: фторангидритовое вяжущее; модифицированная полимер-силикатная жидкость; растворы; сухая строительная смесь; водопоглощение; прочность на сжатие.
OL'GA V. NIKITINA, Research Assistant,
LYUBOV'A. ANIKANOVA, PhD, A/Professor,
ALEKSANDR I. KUDYAKOV, DSc, Professor,
TAMARA E. DIZENDORF, PhD, A/Professor,
TAHMINA SADYK KYZY, Student,
tina18.12.91@ mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
* Исследования выполнены при поддержке конкурса научных проектов «Мой первый грант» № 14-03-31922 «Исследование композиционных фторангидритовых вяжущих повышенной водостойкости для получения сухих строительных смесей».
© О.В. Никитина, Л. А. Аниканова, А.И. Кудяков, Т.Е. Дизендорф, Т. Садык кызы, 2014
EFFECTIVE IMPREGNATIONS
FOR GYPSUM-BASED BUILDING MATERIALS
The paper presents research results of the influence of modified polymer-silicate liquid (impregnation) on water absorption and strength of gypsum-based building materials based on acid fluorides binders. The mechanism of interaction between the modified polymer-silicate liquid and gypsum-based building materials is studied in this paper. It is established that water resistance and strength of the material increases due to higher density of the structure occurred as a result of clogging of the surface layer of pores with calcium silicates and micro-reinforcement.
Keywords: acid fluoride binder; modified polymer-silicate liquid; mortars; dry building mixture; water absorption; compressive strength.
При проектировании стеновых конструкций архитектурно-строительных систем жилых зданий все более востребованными становятся гипсосо-держащие стеновые и отделочные материалы, формирующие благоприятный климат, экологическую безопасность внутри жилища, а также его ценовую доступность для населения. Во многих регионах России отсутствуют природные ресурсы для получения гипсовых вяжущих и изделий на их основе. При использовании в этих регионах гипсосодержащих материалов их стоимость существенно повышается за счет транспортных расходов. В таких случаях становится выгодным производство стеновых и отделочных материалов на основе вяжущего из отходов, например, фторангидрита (ФТА), побочного продукта производства плавиковой кислоты, содержащего в основном безводный сульфат кальция. При производстве строительных материалов на основе гипсосодержащих отходов промышленности решаются также задачи комплексного использования природных ресурсов и землепользования, уменьшения отчуждения земли для хранения отходов и загрязнения окружающей среды.
Основным недостатком гипсосодержащих материалов на фторангидри-товых вяжущих является их невысокая водостойкость, что позволяет использовать их преимущественно для внутренних работ. Для повышения водостойкости изделий в состав вяжущих при приготовлении смесей вводят модифицирующие добавки, при взаимодействии которых с водой или с компонентами формуемой смеси или образуются гидросиликатные соединения, или гидрофобизируются элементы структуры [1, 2]. В первом случае изготовляют гипсоцементно-пуццолановые вяжущие и изделия на их основе, во втором случае получают защитные покрытия на изделиях с хорошими водоотталкивающими свойствами при сохранении паро- и воздухопроницаемости материала. При этом эффективным для использования является метилсиликонат натрия, гидрофобные органические радикалы которого на поверхности изделия создают структуру с водоотталкивающими свойствами, а гидрофильные органические радикалы в виде силоксановых групп обеспечивают хорошую связь (адгезию) с гипсосодержащим материалом.
Недостатком образуемых пленок является их невысокая стойкость при длительном воздействии воды.
На кафедре «Строительные материалы и технологии» (СМиТ) ТГАСУ проводятся исследования по комплексному использованию фторангидрита для получения многофункциональных строительных материалов. Для решения задачи повышения водостойкости и прочности изделий на основе фторангидритовых вяжущих разрабатываются различные научно обоснованные составы смесей со структурообразующими добавками, а также способы поверхностной обработки изделий.
Цель исследований - разработать способ повышения водостойкости и прочности гипсосодержащих материалов, включающих фторангидрит, путем поверхностной пропитки модифицированной полимерсиликатной жидкостью.
В качестве методологической основы проведения исследований принята следующая рабочая гипотеза: в твердеющей системе создаются оптимальные условия для формирования кристаллов двуводного гипса, экранированных новообразованиями низкоосновных гидросиликатов, а также упрочнения структурообразующих компонентов и уплотнения пор на поверхности изделий.
При проведении исследований использовалось композиционное ангидритовое вяжущее на основе фторангидрита, нейтрализованного известью-пушонкой, с химическими добавками, повышающими степень гидратации и структурообразования камня, а также пуццолановыми микронаполнителями. В качестве кольматирующего и гидрофобизующего компонента применялись полимерсиликатные жидкости обычные (ПСК) и модифицированные фторангидритовой вытяжкой (ПСКм). Пропитка ПСКм разработана на кафедре СМиТ ТГАСУ и содержит следующие компоненты, % по массе: жидкое стекло 6,70-6,75; водный раствор метилсиликоната натрия 5,45-5,50; кислый фто-рангидрит 1,00-1,50; вода 86,35-86,80. По результатам исследования получено, что при содержании ФТА меньше 1 % коагуляция коллоидных частиц смеси происходит очень медленно, а при концентрации более 1,5 % она наступает очень быстро. В качестве водного раствора метилсиликоната натрия применялись серийно выпускаемые кремнийорганические жидкости ГКЖ-11П, ГКЖ-11Н и ГКЖ-94. В приведенных разработанных и исследованных составах смесей использована кремнийорганическая жидкость ГКЖ-11П.
Добавку ПСКм готовят следующим образом. Отдозированные натриевое жидкое стекло, водный раствор метилсиликоната натрия и вода перемешиваются, а затем в процессе перемешивания вводится фторангидритовая водная вытяжка.
Ранее авторами для получения реставрационных шпатлевок на подложке из красного керамического кирпича были предложены композиции сухих строительных смесей, состоящие из извести-пушонки, кирпичной пыли, портландцемента (реставрационный штукатурный состав), из извести-пушонки, кирпичной пыли, сурика железного, портландцемента (колеровочный состав) [3]. Растворные смеси разработанных составов обладают высокой пластичностью, хорошей удобонаносимостью, декоративными свойствами, однако прочность на сжатие затвердевших растворов составляет всего 1-2 МПа. Для повышения прочности реставрационных растворов было предложено ввести дополнительно в смесь нейтрализованный фторангидрит. Составы растворов из гипсосодержащих сухих строительных смесей и их свойства представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Составы растворных гипсосодержащих строительных смесей
Составы Соотношение масс. %
Фтор-ангидрит Кирпичная пыль ПЦ Известь-пушонка №2804 В/Т
1 31 45,9 8 15,3 0,6 0,5
2 22 66 - 11,5 0,5 0,34
3 36 54,3 - 9 0,7 0,35
4 46 45,2 - 8 0,8 0,35
Таблица 2
Свойства растворов на фторангидритовом вяжущем
№ п/п Коэффициент размягчения Водопоглощение масс. % Средняя плотность, кг/м3
1 0,86 23 1500
2 0,70 20 1600
3 0,60 17 1700
4 0,60 15 1900
Наиболее водостойким является раствор состава № 1, который рекомендован для использования в технологиях реставрационной отделки, в том числе во влажных условиях эксплуатации. Указанный состав раствора применялся для дальнейших исследований.
На рис. 1, 2 представлены результаты исследований по влиянию ПСКм на водопоглощение и прочность растворов из сухих строительных смесей на основе фторангидритовых вяжущих. Предварительные исследования показали, что процесс структурообразования защитной гидрофобизирующей пленки происходит длительное время, поэтому определение водопоглощения и прочности образцов в сухом состоянии (контрольный образец) и после воздействия водой производилось по истечении стандартного срока твердения 28 сут, а затем через 7 и 28 сут после нанесения на поверхность затвердевшего раствора жидкости ПСКм. Установлено, что при использовании способа поверхностной обработки образцов модифицированной полимерсиликатной жидкостью с выдержкой 7 сут водопоглощение материала снижается с 27 до 10 % по массе, а с выдержкой 28 сут - до 4 %.
Прочность контрольных образцов после хранения в воде снизилась на 14 %, после нанесения на поверхность ПСКм, выдержанных 7 сут и увлажненных, прочность снизилась на 11 %, а после выдерживания в течение 28 сут прочность повысилась на 6 %. Таким образом, пропитка гипсосодержащих материалов на основе фторангидритовых вяжущих модифицированной крем-нийорганической жидкостью снижает водопоглощение, повышает водостойкость и прочность на сжатие.
Для анализа фазовых изменений, идентификации вновь образующихся минералов и описания структур затвердевшего гипсосодержащего камня проведены рентгенофазовое и электронно-микроскопическое исследования образцов контрольного состава (табл. 1, состав 1) и образцов, обработанных ПСКм.
30
□ - контрольный образец
□
□
Рис. 1. Водопоглощение растворов из сухих строительных смесей на фторангидритовом вяжущем, обработанных ПСКм
8
7 ___
6 __
5 4
2
0 ----
■ - контрольный образец
□ - образец в увлажненном состоянии
□ - образец, обработанный ПСКм и повторно увлажненный в возрасте 7 сут
□ - образец, обработанный ПСКм и повторно увлажненный в возрасте 30 сут
Рис. 2. Прочностные характеристики растворов из сухих строительных смесей на фтор-ангидритовом вяжущем, обработанных ПСКм
По данным рентгенофазового анализа контрольных образцов (рис. 3) в камне обнаружены двуводный гипс (линии дифракционных максимумов 4,27 А; 3,79 А; 3,16 А; 3,06 А; 2,87 А; 2,59 А; 2,49 А; 1,68 А), нерастворимый ангидрит (3,49 А; 3,86 А; 3,89 А; 3,11 А; 2,85 А; 2,46 А; 2,32 А; 2,26 А; 2,20 А; 1,86 А; 1,21 А), незначительные по интенсивности линии, соответствующие растворимому ангидриту (3,01 А и 2,80 А). Кроме того, идентифицируются тоберморитоподобные низкоосновные гидросиликаты (5,60 А, 3,07 А, 2,15 А, 2,07 А, 2,00 А, 1,67 А, 1,50 А), низкосульфатная форма гидросульфоалюмина-тов кальция 3Са0А1203 Са804-12Н20 (4,46 А, 3,99 А, 2,87 А, 2,73 А, 2,45 А,
25 20 15 10 5 0
- образец, обработанный ПСКм и повторно увлажненный в возрасте 7 сут
- образец, обработанный ПСКм и повторно увлажненный ввозрасте 30 сут
1,82 А), анортитоподобные алюмосиликаты (СаОА12О3-28Ю2) (4,82 А, 4,29 А, 4,25 А, 4,20 А, 4,17 А, 3,75 А, 2,70 А), портландит (4,93 А, 2,63 А, 1,93 А, 1,79 А) и арогонит (3,27 А, 3,39 А, 3,27 А, 3,02 А, 2,86 А, 2,69 А). Рентгенограммы образцов, обработанных ПСК и ПСКм (рис. 3), практически не отличаются. Таким образом, в составе затвердевших гипсосодержащих материалов, пропитанных ПСКм, идентифицируются в основном двуводный гипс и низкоосновные гидросиликаты кальция.
я * * н «
Угол 26, градусы
Рис. 3. Рентгенограммы контрольных образцов (а), образцов, обработанных ПСК (б) и ПСКм (в)
По результатам электронно-микроскопических исследований (рис. 4) на поверхности контрольных образцов обнаружены иглообразные кристаллы двуводного гипса, мелкокристаллическая структура представлена низкоосновными гидросиликатами и крупными частицами нерастворимого ангидрита. После обработки образца ПСК поверхностная структура изменилась. На поверхности видны агрегированные комплексы структурообразующих компонентов с незаполненными промежутками между ними (порами). Поверхность образцов, обработанных модифицированной кремнийорганической жидкостью, имеет более плотную структуру с меньшим содержанием пор.
Изменение поверхностной структуры гипсосодержащего материала на фторангидритовом вяжущем после нанесения модифицированной полимерси-ликатной жидкости объясняется влиянием каждого компонента и суммарным эффектом воздействия на пористую поверхность. Жидкое стекло плотностью 1,25 и менее проникает в приповерхностные слои камня и под влиянием углекислого газа воздуха подвергается гидролизу с образованием гидрогеля кремниевой кислоты и карбоната натрия. Последний, мигрируя к поверхности
камня, смывается водой, а гидрогель кремниевой кислоты кольматирует поверхностные поры за счет взаимодействия с гидроксидом кальция - одним из компонентов системы твердения - с образованием низкоосновных гидросиликатов. Гидрогель кремниевой кислоты представляет собой нанодисперсную систему с высокой концентрацией адсорбционных центров по отношению к молекулам метил- и этилсиликоната натрия, что способствует формированию тонкой однородной защитной гидрофобизующей пленки на поверхности продукта твердения. В полученном растворе в связи с хорошим химическим сродством возможно образование кремнийорганических силикатов, что существенно ускоряет процесс обезвоживания и разложения силиката натрия с образованием геля кремнезема. Причем подкисление системы «кремнийоргани-ческая жидкость - жидкое стекло» водной вытяжкой ФТА (ПСКм) интенсифицирует процесс гидролиза жидкого стекла и образование гидрогеля, и, как видно на рис. 4, пленка получается более монолитной.
Кроме того, образуется когезионная связь между ионами 804 раствора и гипсосодержащего изделия. За счет этого происходит кольматация пор и заполнение их труднорастворимыми в воде соединениями, что обеспечивает эффект повышения прочности и снижения водопоглощения [4, 5]. Эффект гидрофобизации достигается за счет того, что раствор метилсиликоната натрия образует полиалкилсиликоновую пленку, которая, не препятствуя испарению воды, обеспечивает защиту от увлажнения.
Рис. 4. Электронно-микроскопические снимки контрольного образца (а), образца, обработанного ПСК (б) и ПСКм (в)
Таким образом, поверхностная пропитка гипсосодержащих строительных материалов на основе фторангидритовых вяжущих модифицированной полимерсиликатной жидкостью позволяет повысить их водостойкость и прочность путем кольматации пор поверхностного слоя изделия и создания поверхностной армирующей структуры из вновь образующихся соединений с одновременным обеспечением свободного испарения воды при высушивании изделий.
Библиографический список
1. Коровяков, В. Ф. Перспективы производства и применения в строительстве водостойких гипсовых вяжущих и изделий / В.Ф. Коровяков // Строительные материалы. - 2008. -№ 3. - С. 65-67.
2. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник / под общ. ред. А.В. Ферронской. - М. : Изд-во АСВ. - 488 с.
3. Композиционные вяжущие вещества для сухих строительных смесей / Л.А. Аниканова, А.И. Кудяков, О.В. Никитина, Е.В. Держанская, Фишер Х.-Б. // Ресурсосберегающие технологии и эффективное использование местных ресурсов в строительстве: Международный сборник научных трудов. - Новосибирск, 2013. - С. 258-260.
4. Влияние сульфата и сульфита натрия на процессы структурообразования фторангидритовых композиций / А.И. Кудяков, Л.А. Аниканова, В.В. Редлих, Ю.С. Саркисов // Строительные материалы. - 2012. - № 10. - С. 50-53.
5. Аниканова, Л.А. Композиционные магнезиальные вяжущие вещества для отделочных материалов / Л.А. Аниканова, О.В. Никитина, Е.В. Держанская // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 1. - С. 189-195.
References
1. Korovyakov V.F. Perspektivy proizvodstva i primeneniya v stroutel'stve vodostoikikh gip-sovykh vyagushikh i izdeliy [Prospects of production and application of water-resistant gypsum binding materials and products in construction]. Construction Materials. 2008. No 4. Pp. 65-67. (rus)
2. Ferronskaya A. V. Gipsovye materiali i izdeliya (proizvodstvo i primenenie) [Gypsum materials and products (production and application)]. Manual. 488 p. (rus)
3. Anikanova L.A., Kudaykov A.I., Nikitina O.V., Derganskaya E.V., Fisher H-B. Kompozi-cionnye vyagushie veshestva dlya sukhikh stroitel'nykh smesey [Composite binders for dry construction mixtures]. Int. Coll. Sci. Papers 'Resource-saving technologies and the efficient use of local resources in construction'. Novosibirsk, 2013. Pp. 258-260. (rus)
4. Kudyakov A.I., Anikanova L.A., Redlikh V.V., Sarkisov Yu.S. Vliyanie sul'fata i sul'fita natriya na protsessi strukturoobrazovatiya ftorangidritovykh kompozitsyi [The effect of sodium sulfate and sodium sulphite on structure formation processes compositions from acid fluorides]. Construction Materials. 2012. No 10. Pp. 50-53. (rus)
5. Anikanova L.A., Nikitina O.V., Derganskaya E.V. Kompozitsionnye magnezial'nye vyagushie veshestva dlya otdelochnykh materialov [Composite binders for finishing materials]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No 1. Pp. 189-195. (rus)
