Фиброгипсобетонные композиты с применением вулканических горных пород Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.973

Х.А. ХЕЖЕВ, инженер, Ю.В. ПУХАРЕНКО, д-р техн. наук,

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

Т.А. ХЕЖЕВ, д-р техн. наук, Кабардино-Балкарский государственный университет (Нальчик)

Фиброгипсобетонные композиты с применением вулканических горных пород

Разработка новых эффективных модифицированных гипсовых материалов является актуальной задачей. Для получения композиционных гипсовых вяжущих используют кремнеземистую добавку, портландцемент, шлако-портландцемент, известь, углеродные нанотрубки и полимерные добавки [1—5]. В работе [6] показано, что в качестве модификатора, улучшающего свойства вяжущих на основе сульфата кальция, возможно использование дисперсной металлургической пыли и комплексной добавки, включающей ультрадисперсный микрокремнезем и многослойные углеродные нанотрубки. Предложены гипсошлаковые композиции из отходов промышленности — гранулированных доменных шлаков, известьсодержащих составляющих и фосфогипса [7]. Для уменьшения расхода гипсового вяжущего и уменьшения деформации изделий при сушке в формовочную массу вводятся органические или неорганические заполнители, которые, как правило, в той или иной степени снижают прочность гипсобетонных изделий.

В связи с увеличением стоимости энергоносителей, удорожанием транспортных расходов актуальной задачей становится разработка новых эффективных гипсо-бетонных композитов на основе местных материалов и техногенного сырья, отличающихся пониженной себестоимостью и улучшенными физико-механическими характеристиками. Интерес вызывает возможность использования горных пород вулканического происхождения, в первую очередь отходов пиления вулканического туфа, вулканических пеплов и пеплопемзы [8].

Авторами впервые проведены обширные исследования возможности получения эффективных фиброгип-собетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами с применением отходов пиления вулканического туфа. При этом одновременно решается проблема утилизации техногенного сырья.

Отходы пиления вулканического туфа могут служить в гипсотуфобетонных композитах не только в качестве

заполнителя, но и в качестве активной минеральной добавки: из 60—75% кремнезема, входящего в их состав, 30—35% находится в аморфном состоянии. Для использования скрытой гидравлической активности туфового песка в гипсотуфобетонных композитах применялась негашеная известь. Следует отметить, что и полуводный гипс также является возбудителем скрытой гидравлической активности туфового заполнителя.

Для получения фиброгипсотуфобетонных композитов с улучшенными физико-механическими свойствами и обеспечения уменьшенного удельного расхода гипсового вяжущего проводились исследования, заключающиеся в поэтапном анализе влияния соотношения компонентов, зернового состава туфового песка, параметров фибрового армирования на их свойства и исследовании химического и минералогического состава новообразований.

В исследованиях использованы: гипсовое вяжущее марки Г—4—11—А; воздушная негашеная известь кальциевая порошкообразная; песок из отходов пиления вулканического туфа Заюковского месторождения с максимальной крупностью зерен 5 мм; базальтовое волокно производства ОАО «Ивотстекло» марки РНБ-9-1200-4с.

Изготовление гипсотуфобетонных образцов из сырьевой смеси включает следующие операции: подготовку туфового песка и негашеной извести, приготовление гипсотуфобетонной смеси, формование и сушку гипсовых изделий. Воздушную комовую известь предварительно дробили в щековой дробилке, затем тонко измельчали в шаровой мельнице. Отходы пиления вулканического туфа просеивали через сито № 5 и высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы. Приготовление смеси осуществляли в смесителе принудительного действия, в который после подачи воды загружали предварительно перемешанную сухую смесь гипса, заполнителя, негашеной извести и базальтового волокна, после чего перемешивание всех компонентов

Таблица 1

№ состава Соотношение компонентов в смеси, мас. % Показатели свойств гипсобетонного композита

Гипс Туфовый песок Известь Вода Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут

1 28 1 28

1 67 - - 33 1232 4,1 10,4 1,9 3,3

2 35 35 - 30 1307 2,1 4,8 0,3 2

3 33 33 4,9 29,1 1340 2,3 9 0,3 2,8

4 31,7 31,7 7,9 28,7 1350 2,9 10,3 0,4 3

5 30,5 30,5 10,6 28,4 1364 2,9 11 0,5 3,3

6 29,3 29,3 13,2 28,2 1371 2,4 9,7 0,4 3,1

7 24,3 48,6 - 27,1 1387 0,6 3,2 0,1 0,7

8 23,1 46,2 3,5 27,2 1381 0,6 4 0,1 1,7

9 22,5 45 5,6 26,9 1391 0,7 6 0,1 1,9

10 21,7 43,4 7,6 27,3 1385 0,6 5,6 0,1 2,4

научно-технический и производственный журнал

Таблица 2

№ состава Соотношение компонентов по массе Предел прочности, МПа, в возрасте, сут

гипс: известь известь: туфовый песок 3 10 28

при изгибе при сжатии при изгибе при сжатии при изгибе при сжатии

1 3:1 0,5 2,2 4,9 2,6 9,3 3,8 12

2 3:1 0,6 2,3 5,1 2,7 10,2 4,1 12,7

3 3:1 0,7 2,4 5,5 3,1 11,4 4,6 13,9

4 3:1 0,8 2,4 5,8 3,7 12,3 5,1 14,7

5 3:1 0,9 2,5 6 3,8 12,5 5,1 14,9

6 3:1 1 2,6 5,8 3,8 12,4 4,8 14,7

7 3:1 1,1 2,7 5,8 3,7 12,3 4,7 14,6

8 3:1 1,2 2,7 5,8 3,7 12,3 4,6 14,6

9 3:1 1,3 2,8 5,8 3,5 12,3 4,6 14,5

10 3:1 1,4 2,8 6 3,5 12,2 4,6 14,5

Ясж, МПа

0,14<с1<0,63

-0,14<С<0,63

Рис. 1. Диаграмма состояния состав-свойства

продолжали до получения однородной гипсотуфобе-тонной смеси. Образцы размером 4x4x16 см формовали литьевым способом с последующим твердением в воздушно-сухих условиях. Испытание образцов выполнялось в соответствии с ГОСТ 23789—79 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний».

Для оптимизации состава гипсотуфобетонной матрицы исследовалось влияние соотношения компонентов гипса, туфового песка и негашеной извести на их свойства (табл. 1).

Из табл. 1 следует, что оптимальное соотношение компонентов для изготовления гипсотуфобетонно-го композита наблюдается у составов № 4 и 5 [9]. Предложенный состав гипсотуфобетонного композита обеспечивает уменьшение удельного расхода гипсового вяжущего на 30,5—31,7% без снижения прочности гипсобетона. Кроме того, гипсотуфобетонный композит имеет повышенную водостойкость, коэффициент размягчения равен 0,65; замедляются сроки схватывания смеси: начало схватывания с 5 до 11 мин, конец схватывания с 8 до 14 мин.

Также исследовалась способность мелкодисперсных фракций туфового песка (^<0,14 мм) вступать в химическое взаимодействие с другими активными компонентами гипсотуфобетонной смеси. По результатам ранее проведенных исследований соотношение гипса и негашеной извести по массе принималось равным 3:1. Выявлено, что при соотношении извести и туфового песка равном 0,9 достигается максимальная прочность при сжатии и изгибе гипсотуфобетонных композитов (табл. 2).

Рентгенофазовое исследование гипсотуфобетонного композита оптимального состава № 5 на дифрактометре

ДИФРЕЙ-401 показало, что в затвердевшем материале образуются гидросиликаты тобер-моритовой группы типа 4Са0581025Н20 и (Са, К, №Н30) (81, Л1)03-Н20, а также железистый волластонит ((Са, Ре)8Ю3) и аллофан (А1203-28Ю2-3Н20).

Для определения влияния более крупных фракций заполнителя с 0,14<аК5 мм на прочностные характеристики гипсотуфобетонного композита на втором этапе был реализован симплексно-центроидный план эксперимента. На основе ранее проведенных исследований соотношение составляющих гипсотуфо-бетонного композита по массе в весовых частях принималось: гипс — 3; известь — 1; туфовый песокдиаметром зерен 0,00< а?<0,14 мм — 1,1; туфовый песок диаметром зерен 0,14<а?<5 мм - 1,9.

Переменными при проведении эксперимента являлись: Х1 — содержание в заполнителе зерен диаметром 0,14<ё<0,63 мм; Х2 — содержание в заполнителе зерен диаметром 0,63<ё<2,5 мм; Х3 — содержание в заполнителе зерен диаметром 2,5<ё<5 мм.

Параметры оптимизации: 71 — предел прочности при сжатии, МПа; У2 — предел прочности при изгибе, МПа.

Диаграммы состояния «состав — свойства», построенные по полученным уравнениям регрессии, показали, что максимальная прочность образцов при сжатии наблюдается при оптимальном сочетании в смеси мелких и крупных фракций, обеспечивающих образование плотной структуры гипсотуфобетонного композита (рис. 1). Прочность при изгибе максимальна при содержании в смеси более мелких фракций туфового песка, что объясняется их частичным участием в процессе гидратации. Вместе с тем необходимость рассева песка подразумевает установку дополнительного оборудования, что ведет к удорожанию производства, которое можно оправдать только значительным улучшением прочностных характеристик гипсотуфобетонного композита, чего можно добиться, например, дисперсным армированием.

Для определения экономической эффективности разработанных гипсотуфобетонных композитов выполнено сравнение цены перегородок (1 м2) с гипсовыми материалами, так как технологический процесс производства перегородочных плит остается практически неизменным. Стоимость материалов определялась по отпускной цене заводов-изготовителей (гипс — 2,1 р./кг; мука известняковая молотая — 2,4 р./кг), туфовый песок — по отпускной цене карьера камнепиления — 0,11 р./кг).

ЯИзГ, МПа

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® ноябрь 2013 21

Таблица 3

Вид бетона Средняя плотность, кг/м3 Расход материала, кг Стоимость материала, р. Стоимость 1 м2

гипс известь туфовый песок гипс известь туфовый песок

Гипсобетон (эталон) 1232 82 - - 172,2 - - 172,2

Гипсотуфобетонный композит 1340 41,6 13,8 41,6 87,3 33,1 4,6 125

Таблица 4

№ состава Соотношение компонентов в смеси, мас. % Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа

гипс вермикулит туфовый песок известь при сжатии при изгибе

1 2 3 4 5 6 7 8

1 71,9 28,1 - - 750 1,6 1,1

2 41,3 29,8 15,2 13,7 760 1,55 1,1

3 62,1 37,9 - - 560 0,8 0,55

4 35,8 39,1 13,2 11,9 570 0,75 0,5

С использованием результатов экспериментальных исследований определялся расход и стоимость материалов на 1 м2 перегородок при толщине 80 мм (табл. 3).

Экономический эффект от применения разработанных гипсотуфобетонных композитов по стоимости материалов на 1 м2 площади перегородок составляет 47,2 р. по сравнению с гипсовыми.

Для расширения области применения и получения гипсобетонных композитов с улучшенными прочностными и другими характеристиками на основе анализа существующих видов неметаллических волокон и предъявляемых к ним требований для дисперсного армирования выбраны базальтовые волокна. Для исследования влияния параметров дисперсного армирования на свойства фиброгипсотуфобетонного композита был поставлен эксперимент с ротатабельным планом второго порядка типа правильного шестиугольника.

В качестве исследуемых факторов были приняты основные параметры дисперсного армирования: Х1 — процент армирования по объему ц,, %; Х2 — отношение длины волокон к их диаметру \/й.

В качестве параметров оптимизации рассматривались: 71 — предел прочности при сжатии, МПа; У2 — предел прочности при изгибе, МПа.

Анализ полученных уравнений регрессии и построенных по ним поверхностей отклика показал, что наибольшие значения параметров оптимизации наблюдаются с ц = 1,15—1,2 и \/й = 1444. Предел прочности при сжатии фиброгипсотуфобетонного композита увеличивается в 1,42 раза, при изгибе — в 1,82 раза по отношению к прочности исходной матрицы. Дальнейшее увеличение количества армирования приводит к снижению прочности, что объясняется ухудшением структуры композита. Фиброгипсотуфобетонные композиты имеют более высокую водостойкость по сравнению с исходной гипсотуфобетонной матрицей. Коэффициент размягчения равен 0,7.

Другим направлением исследований стала разработка эффективных гипсобетонных огнезащитных композитов с применением отходов камнепиления вулканического туфа. Известно [10], что эффективными средствами огнезащиты строительных конструкций являются плиты и штукатурки на основе минеральных вяжущих и вспученного вермикулита. Для разработки огнезащитных вермикулитобетонов в качестве заполнителей применялись отходы пиления вулканического туфа фракции 0—0,14 мм, вспученный вермикулит Санкт-Петербургской слюдяной фабрики фракции 0,16—5 мм с насыпной плотностью 150 кг/м3.

Характеристики разработаных эффективных огнезащитных гипсовермикулитотуфобетонных композитов приведены в табл. 4 [11].

Из табл. 5 следует, что предлагаемые составы при одинаковой плотности и прочности при сжатии и изгибе огнезащитных композитов позволяют существенно сократить расход гипса. Использование негашеной извести в качестве возбудителя скрытой гидравлической активности туфового песка позволяет уменьшить расход гипса на 26,3—30,6% без снижения прочности огнезащитного бетона. Кроме того, замедляются сроки схватывания и повышается коэффициент водостойкости гипсовермикулитотуфобетонных композитов.

С целью снижения средней плотности гипсо-вермикулитотуфобетонных композитов, улучшения удобоукладываемости и повышения огнезащитных свойств было исследовано влияние воздухововлекаю-щей добавки СДО. Выявлено, что при содержании добавки СДО 0,15—0,2% от массы вяжущего расход воды для смеси существенно уменьшается, средняя плотность бетонного композита снижается на 30—40 кг/м3. При этом пределы прочности при сжатии и при изгибе композита с добавкой и без нее на 28 сут остаются практически неизменными.

Для исследования огнезащитных свойств предлагаемых составов изготавливали армоцементные плиты толщиной 20 мм с огнезащитным слоем толщиной 15 и 25 мм. Исследования огнезащитных свойств гипсовер-микулитобетонных композитов проводили испытанием на огнестойкость образцов размерами 190x190 мм на электрической печи в горизонтальном положении по температурному режиму стандартного пожара, регламентированному ГОСТ 30247.1—94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции». Предел огнестойкости по несущей способности (Я) армоцементных плит оценивали по прогреву тканой сетки в конструктивном слое (на границе слоев) до 300оС. Влажность мелкозернистого бетона армоцементного слоя и огнезащитного состава к моменту испытаний составляла соответственно 3—4 и 8—10%.

Результаты испытаний на огнестойкость армоце-ментных плит с гипсовермикулитобетонным огнезащитным слоем представлены на рис. 2. Во время испытаний двухслойных элементов на огнестойкость нарушений их целостности не обнаружено.

Из рис. 2 следует, что разработанные гипсовермику-литотуфобетонные композиты обеспечивают более высокие пределы огнестойкости армоцементных плит по

научно-технический и производственный журнал

о

180

160

140 120

? 100

сс ¡^

ф

С 80

г ф

60 40 20

12 34

300

250

200

& 150

100

50

12 34

40

80

120 160 Время, мин

200

240

280

40

80

120 160 200 Время, мин

240 280 320

Рис. 2. Экспериментальные кривые изменения температуры на необогреваемой поверхности (а) и на уровне тканой сетки (б) двухслойных армо-цементных образцов: 1, 3 - гипсовермикулитобетонные композиты со средней плотностью 750 и 560 кг/м3 соответственно, толщиной слоя 15 мм; 1*, 2* - то же , толщиной 25 мм; 2, 4 - гипсовермикулитотуфобетонные композиты средней плотностью 720 и 540 кг/м3 соответственно, толщиной слоя 15 мм; 2*, 4* - то же, толщиной 25 мм

сравнению с гипсовермикулитобетонными. Это объясняется образованием гидросиликатов тоберморитовой группы, железистого волластонита и аллофана, обладающих более высокой пожаростойкостью по сравнению с двуводным гипсом. Кроме того, добавка СДО дополнительно поризует гипсовермикулитотуфобетонный композит, что способствует повышению огнезащитных свойств. Наиболее высокими огнезащитными свойствами обладают составы со средней плотностью 540 кг/м3.

Для улучшения характеристик гипсовермикулито-туфобетонного композита со средней плотностью 540 кг/м3 исследовано влияние параметров армирования базальтовыми волокнами на конечные свойства с использованием ротатабельного плана второго порядка типа правильного шестиугольника. Исследуемые факторы и параметры оптимизации те же, что и для фибро-гипсотуфобетонных композитов.

Получены уравнения регрессии в кодированном виде:

0,21X2 + 0,03Х1Х2;

3.

У1 = 1 + 0,09X1 + 0,014Х2 - 0,2X2 У2 = 1,1 + 0,083Х1 - 0,075X2 - 0,275Х22 + 0,058Х1Х2.

Анализ полученных уравнений и поверхностей отклика показал, что наибольшие значения прочности при сжатии (Д.ж = 1,1 МПа) наблюдаются в области плана с ц « 0,45% и 1/й = 1444, а прочности при изгибе (Лизг = 0,6 МПа) - ц « 0,75% и 1/й = 1444. Армирование базальтовыми волокнами гипсовермикулитотуфобетон-ной матрицы незначительно повышает огнезащитные свойства, что обеспечивается лучшей сохранностью структуры композита при высокой температуре.

Экономический эффект от применения разработанных огнезащитных гипсовермикулитотуфобетонных композитов по стоимости материалов на 1 м2 огнезащиты толщиной 20-25 мм составляет 35-40 р. по сравнению с гипсовермикулитобетонными за счет уменьшения расхода гипса и повышения огнезащитных свойств.

Таким образом, разработаны эффективные фибро-гипсотуфобетонные и фиброгипсовермикулитотуфобе-тонные композиты с улучшенными физико-механическими свойствами, позволяющие уменьшить расход гипсового вяжущего и решить вопросы утилизации отходов камнепиления вулканического туфа.

Ключевые слова: гипс, туфовый песок, негашеная известь, вспученный вермикулит, базальтовое волокно, фиброгипсобетонный композит.

6.

8

10

Список литературы

Гордина А.Ф., Токарев Ю.В., Яковлев Г.И., Керене Я., Спудулис Э. Различия в формировании структуры гипсового вяжущего, модифицированного углеродными нанотрубками и известью // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 34-37. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б., Полеоно-ва Ю.Ю., Бурьянов А.Ф. Модифицированные гипсовые безобжиговые композиты // Строительные материалы. 2013. № 5. С. 76-79.

Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Войтович Е.В. Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 9-11.

Потапова Е.Н., Исаева И.В. Повышение водостойкости гипсового вяжущего // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 20-22.

Рахимов Р.З., Халиуллин М.И., Гайфуллин А.Р. Композиционные гипсовые вяжущие с использованием керамзитовой пыли и доменных шлаков // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 13-16. Хазеев Д.Р., Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Маева И.С., Бурьянов А.Ф. Влияние техногенных дисперсных отходов на структуру и свойства композитов на основе сульфата кальция // Строительные материалы. 2011. № 6. С. 6-7.

Мирсаев Р.Н., Ахмадулина И.И., Бабков В.В., Недо-сенко И.В., Гаитова А.Р., Кузьмин В.В. Гипсошлаковые композиции из отходов промышленности в строительных технологиях // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 4-7.

Ахматов М.А. Применение отходов камнепиления туфкарьеров и рыхлых пористых пород в качестве заполнителей легких бетонов и конструкций из них. Нальчик: М-во высш. и сред. спец. образования РСФСР. КБГУ, 1981. 128 с.

Хежев Т.А., Хежев Х.А. Сырьевая смесь для изготовления гипсобетона. Патент РФ № 2330823 // Опубл. 20.03.2008. Б.И. № 22.

Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. 2002. № 6. С. 2-5. 11. Хежев Т.А., Хежев Х.А. Сырьевая смесь для изготовления огнезащитного покрытия. Патент РФ № 2385851 // Опубл. 10.04.2010. Б.И. № 10.

б

а

0

0

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® ноябрь 2013 23"