CC BY
25УДК 666.973.2
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-770-5-57-61
Г.И. ЯКОВЛЕВ1, д-р техн. наук ([email protected]), Д.А. КАЛАБИНА1, магистр ([email protected]), В.П. ГРАХОВ1, д-р экон. наук ([email protected]); А.Ф. БУРЬЯНОВ2, д-р техн. наук ([email protected]); А.Ф. ГОРДИНА1, канд. техн. наук ([email protected]), К.А. БАЖЕНОВ1, магистрант ([email protected]); С.В. НИКИТИНА3, инженер ([email protected])
1 Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
3 ООО «Новый дом» (426053, г. Ижевск, ул. Салютовская, 31)
Фторангидритовые композиции с легким заполнителем на основе вспученного перлитового песка
Изучена зависимость физико-механических свойств композиции на основе высокопрочного ангидритового вяжущего от концентрации легкого заполнителя, в качестве которого использовался вспученный перлитовый песок. Определено оптимальное соотношение заполнителя и вяжущего по совокупности трех основных показателей: прочность образца при сжатии, средняя плотность и коэффициент теплопроводности. Проведена оценка влияния на физико-механические характеристики композиции использования трех модифицирующих компонентов: воздухововлекающей добавки, грунтовки с нанодобавкой и смачивателя. Исследования показали, что существенное влияние на свойства композиции оказало введение воздухововлекающей добавки, повысившей прочность при сжатии в возрасте 7 сут с 1,34 до 2,07 МПа, а также смачивателя, который позволил добиться снижения плотности материала с 891 до 695 кг/м3. Разработанная фторангидритовая композиция с легким заполнителем на основе вспученного перлитового песка с учетом ее физико-механических показателей может быть использована в качестве эффективного конструкционно-теплоизоляционного материала при производстве пазогребневых плит, блоков для возведения конструкций внутри зданий и сооружений.
Ключевые слова: фторангидрит, вспученный перлит, смачиватель, легкий заполнитель, дисперсионный анализ, композиционный материал.
Исследование выполнено в рамках государственного задания по заказу Министерства образования Российской Федерации (проект № 16.7823.2017/7.8) при финансовой поддержке со стороны Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова (08.06.01/18YGI).
Для цитирования: Яковлев Г.И., Калабина Д.А., Грахов В.П., Бурьянов А.Ф., Гордина А.Ф., Баженов К.А., Никитина С.В. Фторангидритовые композиции с легким заполнителем на основе вспученного перлитового песка // Строительные материалы. 2019. № 5. С. 57-61. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-770-5-57-61
G.I. YAKOVLEV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), D.A. KALABINA1, graduate student ([email protected]), V.P. GRAKHOV1, Doctor of Sciences (Economics) ([email protected]); A.F. BURYANOV2, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]); A.F. GORDINA1, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), K.A. BAZHENOV1, Student ([email protected]); S.V. NIKITINA3, Engineer ([email protected])
1 Kalashnikov Izhevsk State Technical University (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, 426069, Russian Federation)
2 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
3 "Novi Dom" OOO (31, Salutovskaya Street, Izhevsk, 426053, Russian Federation)
Fluoro-Anhydrite Compositions with a Light Filler Based on Expanded Perlite Sand
The dependence of the physical and mechanical properties of the composition on the basis of high-strength anhydrite binder on the concentration of light filler, as which the expanded perlite sand was used, was studied. The optimal ratio of filler and binder is determined by the combination of three main parameters: the compressive strength of the sample, the average density and the thermal conductivity coefficient. The assessment of the influence of the use of three modifying components: air-entraining admixture, primer with nano-additive and wetting agent on the physical and mechanical characteristics of the composition is carried out. Studies have shown that a significant impact on the properties of the composition had the introduction of an air entraining admixture, which increased the compressive strength at the age of 7 days from 1.34 to 2.07 MPa, as well as a wetting agent, which made it possible to reduce the density of the material from 891 to 695 kg/ m3. The fluoro-anhydrite composition developed with a light filler on the basis of expanded perlite sand, with due regard for its physical and mechanical characteristics, can be used as an effective structural and thermal insulation material in the production of tongue-and-groove slabs, blocks for the construction of structures inside buildings and structures. Keywords: fluoro-anhydrite, expanded perlite, wetting agent, light filler, disperse analysis, composite material.
The study was carried out within the framework of the state task commissioned by the Ministry of Education of the Russian Federation (project № 16.7823.2017/7.8) with financial support of Kalashnikov Izhevsk State Technical University (08.06.01/18YGI).
For citation: Yakovlev G.I., Kalabina D.A., Grakhov V.P., Buryanov A.F., Gordina A.F., Bazhenov K.A., Nikitina S.V. Fluoro-anhydrite compositions with a light filler based on expanded perlite sand. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 5, pp. 57-61. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-770-5-57-61
Задачей современного строительного материаловедения является наращивание объемов использования вторичного сырья при производстве строительных материалов для улучшения экологической обстановки в местах отвалов и снижения себестоимости готового продукта. Дешевой заменой природного гипса являются отходы различных производств, та-
ких как фосфогипс [1—4]; красный гипс [5, 6]; гипс, образующийся при десульфуризации дымовых газов [7, 8], и фторангидрит, образующийся при производстве плавиковой кислоты. Несмотря на экологич-ность гипса, его применение в строительстве остается достаточно узким. Чаще всего он используется в виде внутренних штукатурок, гипсокартонных плит
50 100
500
Q (%), q (%)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
0 0,05 0,1 0,5 1 5 10
Particle Diameter, цт Рис. 1. Дисперсионный анализ фторангидрита
и блоков для устройства перегородок. Однако потенциал применения гипса намного шире. Гипсовые блоки могут также использоваться в качестве наружных несущих элементов при надлежащей гидрофо-бизации [9, 10]. Другим перспективным способом применения является разработка композиций из по-ризованного гипса, который может быть получен как вспененный или вспученный гипсовый раствор, в котором пористая структура формируется химическими добавками [11, 12], или с использованием легких заполнителей [13, 14].
Для достижения поставленной задачи при исследовании вспененных гипсовых смесей [11] применялся сульфат алюминия в качестве газообразующей добавки. При этом средняя плотность составила 694 кг/м3, прочность при сжатии 0,63 МПа. Вспученный гипс с бикарбонатом аммония имел объемную плотность 756 кг/м3 и прочность при сжатии 0,35 МПа.
В работе [12] приведена информация о разработке поризованных гипсовых материалов со средней плотностью от 200 до 700 кг/м3. Состав при плотности 500 кг/м3 обеспечил теплопроводность 0,16 Вт/моС и прочность при сжатии 0,7 МПа.
В статье [15] приводится решение для производства легких гипсовых композитов на основе матрицы высокой плотности со вспученным перлитом в качестве сверхлегкого заполнителя. Вяжущее изготавливалось на основе гипсового отхода, образующегося при десульфуризации дымовых газов. В качестве кислотного газообразующего компонента использовали жидкий кислотный агент, полученный из сульфата алюминия и лимонной кислоты, растворенной в воде [16]. При добавлении 20% перлита от массы гипса средняя плотность материала снизилась до 300 кг/м3, коэффициент теплопроводности — до 0,08 Вт/мК, при этом прочность при сжатии уменьшилась до 0,3 МПа. При добавлении 5% перлита от массы гипса средняя плотность материала составила 547 кг/м3 при прочности 2 МПа и коэффициенте теплопроводности 0,12 Вт/мК.
Задачей данного исследования являлось изучение зависимости физико-механических свойств фторан-гидритовой композиции от содержания вспученного перлитового песка, оптимизация состава компози-
Q (%), q (%)
1
5
100
500
10 50
Particle Diameter, цт
Рис. 2. Дисперсионный анализ вспученного перлита
ции при использовании трех типов добавок, модифицирующих поверхность перлитового песка: воз-духововлекающей добавки, смачивателя и грунтовки с нанодобавкой.
Характеристики используемых материалов
Композиции выполнялись на основе высокопрочного ангидритового вяжущего, приготавливаемого в соответствии с работой [17] при добавлении 45, 65 и 85% вспученного перлитового песка по объему сухого вещества в качестве сверхлегкого заполнителя.
Высокопрочное вяжущее изготавливалось из порошкообразного фторангидрита — отхода производства плавиковой кислоты компании «ГалоПолимер», соответствующего ТУ 5744-132-05807960-98. Для активации процессов структурообразования фторан-гидрита использовался 3% водный раствор фосфата натрия Na3PO4.
Химический состав фторангидрита представлен в табл. 1.
Анализ дисперсности фторангидрита, проведенный на лазерном анализаторе SALD-7500nano Shimadzu, показал, что средний диаметр частиц составляет 10,5 мкм (рис. 1). Необходимо отметить наличие в составе фторангидрита нанодисперсной составляющей со средним размером частиц 140 нм.
В качестве сверхлегкого заполнителя использовался вспученный перлитовый песок (ГОСТ 10832-2009 «Песок и щебень перлитовые вспученные. Технические условия») с насыпной плотностью 98,9 кг/м3. Химический состав вспученного перлитового песка приведен в табл. 2.
Таблица 1 Химический состав фторангидрита, % (Сертификат качества № 921/2/124398.
Фторангидрит. Компания «ГалоПолимер»)
СаО SO3 CaF2 SiO2 AI2O3 Fe2O3
35-36,5 Не менее 45 2,2-5 2,6-3,4 0,5-0,7 0,2-0,95
Таблица 2
Химический состав вспученного перлитового песка, %
SiO2 AI2O3 K2O TiO2 CaO + Mg2O + Fe2O3
73 15 4,7 5 2,3
научно-технический и производственный журнал ij'J'fJCJi,J'/5JJ-jj-|jjJ5 "ii май 2019 ЖШ^ШШ]
Концентрация перлита, %
Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии от концентрации перлита (а); зависимость плотности и теплопроводности от концентрации перлита (б)
Таблица 3
Состав композиции Прочность, МПа Плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.°С)
на растяжение при изгибе при сжатии
7 сут 28 сут 7 сут 28 сут
К 5,92 9,66 18,99 32,4 2023 0,725
1 1,2 2,92 4,29 9,83 1170 0,382
2 1,26 1,27 3,04 -* 1090 0,295
3 0,37 0,43 0,77 -* 660 0,134
Примечание. * Прочность не установлена вследствие формования очень жесткой смеси.
По результатам дисперсионного анализа (рис. 2) было установлено, что средний размер частиц вспученного перлитового песка составляет 65 мкм, до 72% частиц вспученного песка имеют размеры до 100 мкм.
Результаты исследований и их обсуждение
Оптимизация состава композиции с заполнителем на основе вспученного перлитового песка. Для изучения зависимости физико-механических свойств материала от концентрации перлита и подбора оптимального соотношения заполнитель/вяжущее приготавливались три композиции на основе высокопрочного фторангидритового вяжущего с добавлением 45 (композиция № 1), 65 (композиция № 2) и 85% (композиция № 3) вспученного перлита (по объему сухого вещества), а также контрольный образец вяжущего (К) (табл. 3). Повышение концентрации вспученного перлита сверх 85% является нецелесообразным, так как приводит к разрушению образцов при их распалубке.
С целью обеспечения лучшего сцепления вспученный перлитовый песок вводился в предварительно приготовленный раствор на основе фторангидри-та, затворенного 3% водным раствором фосфата натрия №3Р04. Полученная смесь укладывалась в формы с размерами 40x40x160 мм и твердела на воздухе. В процессе твердения структура композиции формировалась за счет гидратации фторангид-рита с образованием вяжущей матрицы на основе двуводного гипса.
Результаты физико-механических испытаний приведены в табл. 3.
Зависимость физико-механических характеристик разработанных композиций от содержания вспученного перлита приведена на диаграммах (рис. 3, а, б).
Следовательно, можно сделать вывод, что оптимальное соотношение легкого заполнителя и фторан-гидритового вяжущего находится в диапазоне содержания вспученного перлита между 65 и 85%. При содержании вспученного перлита 85% и выше показатели теплопроводности улучшаются, однако при этом значительно снижается прочность материала при сжатии. При содержании перлитового песка ниже 65% композиции обладают лучшими прочностными показателями, в то же время показатели средней плотности и теплопроводности соответствуют требованиям нормативных документов на конструкционно-теплоизоляционные материалы (ГОСТ 31913—2011 «Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения»), которым отвечает состав с содержанием перлитового песка в количестве 45% от объема сухого вещества.
Анализ микроструктуры образца № 1 с содержанием перлита 45% по объему сухого вещества, выполненный на микроскопе MIRA3 TESCAN в исследовательском центре AdMaS Технического университета Брно, позволил установить взаимосвязь между вяжущей матрицей и поверхностью вспученного перлита (рис. 4, а) при наличии физико-химического
Рис. 4. Микроструктура композиции в зоне межфазной границы (а); формирование новообразований на поверхности вспученного перлита (б)
Таблица 4
Состав композиции Прочность образца в возрасте 7 сут, МПа Плотность, кг/м3
на растяжение при изгибе при сжатии
К1 0,76 1,34 891
4 0,79 2,07 889
5 0,9 1,49 729
6 0,62 1,2 695
взаимодействия между ними. На рис. 4, б отмечено химическое взаимодействие вяжущего на межфазной границе между перлитом и фторангидритовой матрицей с формированием новообразований игольчатого типа [19].
Легкие фторангидритовые композиции с модификацией поверхности вспученного перлита. Для улучшения физико-механических показателей композиции производилась модификация поверхности вспученного перлитового песка с использованием поверхностно-активных веществ производства чешской фирмы Stachema: воздухововлекающая добавка Poralan STA; смачиватель Altarau S8; грунтовка с нанодобавкой марки Peneco Nano. По результатам оптимизации исследования был выбран диапазон оптимального соотношения между вспученным перлитом и фторангидритом 70:30% соответственно.
Воздухововлекающая добавка в количестве 0,5% от общей массы вводилась непосредственно во фтор-ангидритовое тесто. Смачиватель (1% раствор) и грунтовка (50% раствор) использовались в виде водного раствора, напыляемого на поверхность частиц перлита с последующей сушкой в сушильной печи при температуре +65оС.
Наименование композиций:
К1 — контрольный состав композиции, содержащий 70% вспученного перлита, введенного во фтор-ангидритовое вяжущее (фторангидрит, затворенный 3% водным раствором фосфата натрия);
№ 4 — композиция К1 с введением воздухововле-кающей добавки;
№ 5 — композиция К1 с использованием грунтовки;
№ 6 — композиция К1 с использованием смачивателя.
Результаты испытаний образцов приведены в табл. 4.
Из представленных в табл. 4 данных можно заключить, что воздухововлекающая добавка, несмотря на воздухововлечение в структуру вяжущей фтор-ангидритовой матрицы, одновременно пластифици-
1000 „ 800
.S
£ 600
о
о
X
° 400 200 0
1,5 1
0,5 0
Без добавок Воздуховов... Грунтовка Смачиватель Рис. 5. Влияние модифицирующих добавок на свойства композиции
ровала раствор, обеспечив повышение прочности материала при сжатии на 54,5%. Введение грунтовки понизило плотность образца на 18,2% и повысило прочность композиции на растяжение при изгибе на 18,4% в сравнении с контрольным составом. Использование смачивателя позволило снизить плотность композиции на 22%.
Влияние модифицирующих добавок на физико-механические характеристики полученного материала представлено на диаграмме (рис. 5).
Заключение
Таким образом, разработанная фторангидрито-вая композиция с легким заполнителем на основе вспученного перлитового песка по физико-механическим показателям может быть использована в качестве эффективного конструкционно-теплоизоляционного материала при производстве пазо-гребневых плит, блоков для возведения конструкций внутри зданий и сооружений. При этом характеристики композиции можно значительно улучшить использованием модифицирующих поверхностно-активных веществ в виде воздуховов-лекающей добавки, существенно повысившей прочность при сжатии образца в возрасте 7 сут и смачивателя, способствующего снижению плотности материала.
научно-технический и производственный журнал fí'J'fJCJi,J'/5JJ-jj-|jjJ5 "бО май 2019
Список литературы / References
1. Degirmenci N. Utilization of phosphogypsum as raw and calcined material in manufacturing of building products. Construction and Building Materials. 2008. Vol. 22, pp. 1857-1862. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2007.04.024
2. Гриневич А.В., Киселев А.А., Кузнецов Е.М., Бурьянов А.Ф., Ряшко А.И. Гипсовое вяжущее из a-CaSO4.0,5H20 — отхода производства экстракционной фосфорной кислоты // Строительные материалы. 2014. № 7. C. 4—8.
2. Grinevich A.V., Kiselev A.A., Kuznetsov E.M., Bur'yanov A.F., Ryashko A.I. Gypsum binder from a-CaS04.0,5H20 — waste of extraction phosphoric acid production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 7, pp. 4—8. (In Russian).
3. Garg M, Jain N, Singh M. Development of alpha plaster from phosphogypsum for cementitious binders. Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23 (10), pp. 3138—3143. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2009.06.024
4. Орешкин Д.В. Экологические проблемы комплексного освоения недр при масштабной утилизации техногенных минеральных ресурсов и отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2017. № 8. C. 55—63.
4. Oreshkin D.V. Environmental problems of comprehensive exploitation of mineral resources when largescale utilization of manmade mineral resources and waste in the production of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No.8,pp.55—63.DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-751-8-55-63 (In Russian).
5. Hughes P., Glendinning S. Deep dry mix ground improvement of a soft peaty clay using blast furnace slag and red gypsum. Quarterly Journal of Engineering Geology andHydrogeology. 2004. Vol. 37 (3), pp. 205— 216. DOI: 10.1144/1470-9236/04-003
6. Fauziah I., Zauyah S., Jamal T. Characterization and land application of red gypsum: a waste product from the titanium dioxide industry. Science of Total Environment. 1996. Vol. 188, pp. 243—251. DOI: 10.1016/0048-9697(96)05179-0
7. Tesarek Pavel, Drchalova Jaroslava, Kolisko Jiff, Rovnanikova Pavla, Cerny Robert. Flue gas desulfurization gypsum: study of basic mechanical, hydric and thermal properties. Construction and Building Materials. 2007. Vol. 21, pp. 1500—1509. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2006.05.009
8. Xiao Lu Guo, Hui Sheng Shi Thermal treatment and utilization of flue gas desulphurization gypsum as an admixture in cement and concrete. Construction and Building Materials. 2008. Vol. 22, pp. 1471—1476. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2007.04.001 ^
9. Tesarek P., Rovnanikova P., Kolisko J., Cerny/ R. Wlasciwosci hydrofobowego gipsu z odsiarczania spalin [Properties of hydrophobized FGD gypsum]. Cement-wapno-beton. 2005. Vol. 5, pр. 255—264 (In Polish)
10. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Полянских И.С., Ке-рене Я., Фишер Х.Б., Рахимова Н.Р., Бурьянов А.Ф. Гипсовые композиции с комплексными модификаторами структуры // Строительные материалы. 2016. № 1—2. C. 90—95.
10. Gordina A.F., Yakovlev G.I., Polyanskikh I.S., Kere-ne Ya., Fisher Kh.B., Rakhimova N.R., Bur'yanov A.F. Gypsum compositions with complex modifiers of structure. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 1—2, pp. 90—95. https://doi. org/10.31659/0585-430X-2016-733-734-1-2-90-95
11. Colak A. Density and strength characteristics of foamed gypsum. Cement & Concrete Composites. 2000. Vol. 22, pp. 193—200.
12. Skujans J., Vulans A., Iljins U., Aboltins A. Measurements of heat transfer of multi-layered wall construction with foam gypsum. Applied Thermal Engineering. 2007. Vol. 27, pp. 1219—1224. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.02.047
13. Sayil B., Gurdal E. The physical properties of polystyrene aggregated gypsum blocks. Edited by Lacasse M.A., Vainer D.J. Proceedings of 8th international conference on durability of building materials and components. Canada: Vancouver. 1999, pp. 496— 504 http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB1966.pdf
14. Santos A.G. PPF-reinforced, ESP-lightened gypsum plaster. Materiales de Construccion. 2009. Vol. 59, pp. 105—124. https://doi.org/10.3989/mc.2009.41107
15. Vimmrova Alena, Keppert Martin, Svoboda Lubos, Cerny Robert Lightweight gypsum composites: Design strategies for multi-functionality. Cement and Concrete Composites. 2011. Vol. 33, Iss. 1, pp. 84—89. https:// doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.09.011
16. Svoboda L., Vimmrova A. Acid agent for preparation of foamed gypsum. Czech utility design no. 17844. Prague. 2007.
17. Yakovlev G.I.,Tulegenova A.V., Pervushin G.N., Keriene J., Gordina A.F., Bazhenov K.A., Ali Elsayed Elrefaei. Multifunctional admixture used for activating fluoroanhydrite. 20th International Building Materials Conference «Ibausil». 12—14 September 2018. Weimar, Germany. Band 2, pp. 559—568.
18. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Грахов В.П., Калабина Д.А., Гордина А.Ф., Гинчицкая Ю.Н., Баженов К.А., Трошкова В.В., Дрохитка Р., Хозин В.Г. Конструкционно-теплоизоляционный материал на основе высокопрочного ангидритового вяжущего // Интеллектуальные системы в производстве. 2019. Т. 17. № 1. С. 144—151. DOI: 10.22213/2410-9304-2019-1-144-151
18. Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Grakhov V.P., Kalabina D.A., Gordina A.F., Ginchitskaya Yu.N., Bazhe-nov K.A., Troshkova V.V., Drokhitka R., Khozin V.G. Constructional and thermal insulation material based on high-strength anhydrite binder. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. 2019. Vol. 17. No. 1, pp. 144—151. DOI: 10.22213/2410-9304-2019-1-144-151 (In Russian).
