CC BY
14Войтович Е. В., канд. техн. наук, Череватова А. В. д-р техн. наук, проф., Жерновский И. В., канд. г.-м. наук, доц., Алехин Д. А., магистрант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ГИПСОКРЕМНЕЗЕМНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИТЫ С ПОВЫШЕННОЙ
ЖАРОСТОЙКОСТЬЮ *
Структурно-сопряженные контактные зоны между минеральными новообразованиями и наполнителями композиционных вяжущих является важнейшим фактором формирования высоких прочностных и других эксплуатационных характеристик строительных композитов сульфосили-катного состава.
В результате проведенного комплекса экспериментальных исследований, доказана возможность создания жаростойких строительных материалов на основе композиционного гипсового вяжущего с применением наноструктурированного кремнеземного компонента в расширенном диапазоне его концентраций.
Взаимодействие полуводного гипса, при его гидратации, с коллоидным раствором кремнезема (фазовый компонент наноструктурированного вяжущего) обеспечивает создание структурного интерфейса сульфатной и гидросиликатной составляющей вяжущего.
Ключевые слова: композиционное гипсовое вяжущее, жаростойкость, наноструктурирован-ный кремнеземный компонент
В настоящее время в России и за рубежом большое внимание уделяется созданию композиций на основе гипсовых вяжущих. Наиболее важным достоинством гипсовых вяжущих является энергосберегающая технология их производства. При этом гипсовое вяжущее по его природе структурообразования относится к вяжущему гидратационного типа твердения, что изначально исключает возможность применения данного типа вяжущего в условиях резкого температурного перепада или существенного температурного градиента. Вместе с тем известно, что введение в систему реакционно-активных тонкодисперсных компонентов позволяет получать композиты с приобретенными эмерджент-ными свойствами, не характерными для исходных составляющих [1—3].
Ранее было изучено влияние нанострукту-рированного кремнеземного компонента (НКК) (в концентрационных пределах от 10 до 30 % вес.) на гипсовое вяжущее [4]. Кроме этого, показана принципиальная возможность повышения жаростойкости композиционных гипсовых вяжущих [5].
В связи с этим представляется актуальной разработка композиционного гипсового вяжущего, способного активно сопротивляться высокотемпературному воздействию, путем проектирования рациональных составов композиций с применением кремнеземной составляющей.
Целью проведенных исследований являлась оценка возможности создания жаростойких строительных материалов на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ) с применени-
ем НКК в расширенном диапазоне его концентраций.
В работе использовался полуводный гипс марки Г-5. В качестве компонента вводилось наноструктурированное БЮг-вяжущее (НВ) в виде НКК в интервале от 30 до 90 (% вес.) по сухому веществу. НВ представляет собой полидисперсную, минеральную вяжущую систему, обладающую высокой концентрацией активной твердой фазы и содержащую нанодисперсный компонент в количестве 5-10 %.Это вяжущее получали путем помола кварцевого песка по мокрому способу в шаровой мельнице [6].
Способ получения КГВ, заключается в предварительном введении НКК в воду для получения водной суспензии затворения определенной концентрации для гипсового вяжущего. Этот способ позволяет получить однородную смесь в течение 30 сек перемешивания после введения гипсового вяжущего [7].
При получении экспериментальных составов следует учитывать, что НКК имеет вид минеральной суспензии с влажностью 14-20%, поэтому введение НКК проводилось в пересчете на сухое вещество.
В ходе исследований были разработаны экспериментальные составы гипсокремнезем-ного вяжущего с содержанием НВ в системе 3070 %. Такое количество НВ обеспечивает допустимые эксплуатационные характеристики.
КГВ формовались в виде образцов-балочек размером 16*4*4 см. Процесс твердения проходил в естественных условиях при температуре 22±2 С в течении 2-х часов, после чего образцы
вяжущего были высушены при температуре 35 С, в течении суток.
Определение прочностных характеристик -предела прочности на сжатие и растяжение при изгибе, проводились на прессе гидравлическом ПГМ 100, при средней скорости нарастания нагрузки при испытании образцов 10±5 кг/см2 в секунду.
Результаты испытаний эксплуатационных свойств экспериментальных составов представлены в табл. 1.
Для изучения влияния высоких температур на эксплуатационные свойства КНГВ, составы подвергались термообработке от 600 до 1000°С с шагом 200°С. Так как гипсовые изделия прогреваются относительно медленно и разрушаются лишь после 6-8 часов нагрева, экспериментальные образцы были термообработаны с последующей изотермической выдержкой в течении 6 часов при конечной температуре (рис. 1).
Таблица 1
Физико-механические характеристики композиционного наноструктурированного гипсового вяжущего
№ п/п Наименование показателей Содержание НВ в КНГВ, %
0 30 40 50 60 70 80 90
1 Предел прочности на сжатие, МПа 13,28 11,9 10,45 8,53 8,49 6,6 4,02 2,26
2 Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа 2,9 4,3 3,7 3,0 2,7 1,9 1,3 0,7
3 3 Плотность, кг/м 1178,4 1267,9 1309,5 1331,8 1399,5 1481,4 1529,8 1651,7
4 Водогипсовое отношение 0,57 0,68 0,75 0,89 1,08 1,42 2,08 3,08
5 Время твердения, начало 8'35" 17'15" 21'25" 26'28" 32'5" 38'18" 44'48" 52'55"
6 Время твердения, конец 16'25" 27'25" 33'20" 38'50" 44'10" 52'5" более 1000' более 1000'
40 50 60 70 Концентрация НКК, %
■до термообработки
■термообработкав течении 5 часов при 1=600С термообработка в течении 5 часов при 1=800С ■термообработкав течении 5 часов при 1000С
Рис. 1. Влияние концентрации НВ на прочностные показатели гипсокремнеземного вяжущего
при термообработке
Анализ результатов определения прочност- до и после термообработки показал, что поло-ных характеристик экспериментальных составов жительный эффект наблюдается при содержа-
нии НВ в системе от 30 до 70 %. При этом у контрольного состава после температурного воздействия присутствуют существенные деформации, из-за которых образцы не подлежат испытанию.
Дальнейшее увеличение содержания НВ в системе нецелесообразно, так как происходит снижение прочности, что может быть объяснено
40 -
перенасыщением системы твердой фазы и недостатком дисперсионной среды, участвующей в процессе гидратации.
Анализ изменения геометрических размеров показал, что в контрольном образце общая объемная усадка при 1000°С составляет 35 %, а при введении 80% НВ - 1,25%.
х я
'Л о о
35
30
и
Я
и =
и
5
5
Г.»
I
о и
а 20
« 15 а
ю
5 Ч
о
— ш\ Г- В- в
шШ 1. 1 = г г 1 |
1 1 и г т 1 вМУ 1вУ в
30
40 50 60 70
Концентрация НВ, %
80
90
Изменение геометрических размеров после термообработки при 600С I Изменение геометрических размеров после термообработки при 800С ¡Изменение геометрических размеров после термообработки при 1000С
Рис. 2. Изменение геометрических размеров образцов вяжущих различных составов при термическом воздействии
В предыдущих исследованиях авторского коллектива было установлено, что результатом взаимодействия гидратирующего гипсового вяжущего с активным коллоидным кремнеземным компонентом НВ является формирование суль-фосиликатной фазы - гидроксиэллестадита [5]. При этом составы вяжущих соответствовали 15
и 20 % вес. НВ. Эта фаза рентгенометрически была зафиксирована в составах гипокремнезем-ных вяжущих составов 30 - 70 % вес. Минеральный состав экспериментальных составов, полученный полнопрофильным количественным РФА представлен в табл. 2.
Таблица 2
Минеральный состав вяжущих
Минеральная фаза Концентрация НВ (вес.%)
Контроль (0 НВ) 30 НВ 50 НВ 70 НВ
Кварц 1,5±0,1 33,1±1,6 53,5±7,3 67,5±3,6
Гипс 87,9±0,6 55,8±3,4 36,7±4,7 28,2±2,3
Бассанит 5,7±0,6 4,5±0,4 1,64±0,2
Кальцит 1,5±0,1 3,1±0,4 3,3±0,4 3,0±0,3
Гидроксиэллестадит 3,5±1,5 4,8±1,6 1,4±0,7
Микроструктура гипсокремнеземного вяжущего имеет существенные отличия от исходного гипсового вяжущего. Так, структура контрольного состава отличается наличием более крупных кристаллов, с контактами срастания в отдельных точках (рис. 3, а).
Введение НВ в гипсовую систему приводит к изменению размеров и морфологии кристаллов гипса. При увеличении содержания кремнеземного компонента наблюдается структура с отдельными кристаллами гипсового вяжущего не связанных между собой, что ведет к снижению прочностных характеристик (рис. 3, б-г).
б) 30 % HB(S)
в) 50 % HB(S)
г) 70 % НВ(8)
Рис. 3. Микроструктура КНГВ до термообработки
б) 30 % НВ
ш ■Г- , ,«х « Аг
и
ет! 4 —
йг Чт--
У ^¿г
■» . ¿г ■ с. Л.- 1 »¡V
/ 7- • *
ш м
в) 50 % НВ
г) 70 % НВ
Рис. 4. Микроструктура КНГВ после термообработки при 800°С
Микроструктура гипсового вяжущего после высокотемпературной обработки (рис. 4, а) представлена типичными кристаллическими индивидами с проявленным идиоморфизмом ангидрита. Микроструктура КНГВ (рис. 4, б-г) характеризуется преобладающим отношением индивидов с пластинчатой морфологией к мелкокристаллическим изометричным индивидам, располагающимся эпитаксиально на них или образующих глобулярное скопление.
Возникновение структурно-сопряженных контактных зон между минеральными новообразованиями и наполнителями композиционных вяжущих является важнейшим фактором формирования высоких прочностных и других эксплуатационных свойств строительных материалов. В особой степени это относится к композиционным сульфосиликатным вяжущим с суперпозицией механизмов твердения.
Таким образом, в результате проведенного комплекса экспериментальных исследований,
доказана возможность создания жаростойких строительных материалов на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ) с применением НКК в расширенном диапазоне его концентраций.
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта t №А-4/14 «Программа стратегического развития БГТУ им. В.Г Шухова на 2012-2016 гг» с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Петропавловская В.Б. Бурьянов, А.Ф., Новинченкова Т.Б Малоэнергоемкие гипсовые материалы и изделия на основе отходов промышленности. // Строительные материалы. 2006. №7. С. 8-9.
2. Петропавловская В.Б, Белов В.В., Нови-ченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П.
Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твердения // Строительные материалы, 2010. №7. С. 22-23.
3. Войтович Е.В., Череватова А.В. Нано-структурированное композиционное гипсовое вяжущее - вяжущее нового поколения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 3. С. 32-34.
4. Строкова В.В., Череватова А.В., Жер-новский И.В., Войтович Е.В. Особенности фазо-образования в композиционном наноструктури-рованном гипсовом вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 9-12.
5. Жерновский И.В., Череватова А.В., Войтович Е.В., Кснофонтов А.Д. Жаростойкость
композиционного вяжущего системы CaO-SO3-БЮ2-Н2О // Строительные материалы. 2014. № 7. С.57-60.
6. Череватова А.В., Жерновский И.В., Строкова В.В. Минеральные наноструктуриро-ванные вяжущие. Природа, технология и перспективы применения. Saarbrucken: LAM LAMBERT AcademicPublishingGmbH&Co. KG., 2011. 170 pp.
7. Войтович Е.В., Кожухова, Н.И., Жерновский И.В., Череватова А.В., Нецвет Д.Д. Концепция контроля качества алюмосиликатных вяжущих негидратационного твердения // Строительные материалы. 2013. №.11. С. 68-70.
