CC BY
24
УДК 666.9; 691.5
Чжо Тху Сое, Потапова Е.Н.
ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВОЕ ВЯЖУЩЕЕ С АКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКОЙ МЕТАКАОЛИН
Чжо Тху Сое, студент 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: [email protected]
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрено получение гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, содержавшего в качестве пуццолановой добавки метакаолин. Изучение влияния модифицирующих добавок (гиперпластификатора, редиспергируемых полимерных порошков и эфиры целлюлозы) на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с применением симплекс планирования эксперимента, позволило выявить оптимальное содержание добавок в присутствии которых повышаются технологические свойства композиции.
Ключевые слова: гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, метакаолин, комплексные добавки, прочность и водостойкость.
GYPSOCEMENT-PUZZOLAN BINDER WITH ACTIVE MINERAL ADDITIVE METAKAOLIN
Kyaw Thu Soe, Potapova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article considers the preparation of a gypsum-cement-pozzolan binder containing metakaolin as a pozzolan additive. The study of the effect of modifying additives (hyperplasticizer, redispersible polymer powders and cellulose esters) on the properties of gypsum-cement-pozzolan binder using simplex experiment planning allowed us to identify the optimal content of additives in the presence of which the technological properties of the composition increase. Keywords: gypsum-cement-pozzolanic binder, metakaolin, complex additives, strength and water resistance.
В настоящее время на основе композитных вяжущих материалов производится огромное количество различных строительных материалов. Это могут быть цементы и сухие строительные смеси, растворы и бетоны. Много материалов производится на основе гипсовых вяжущих [1].
Гипсовые вяжущие быстро схватываются, быстро набирают прочность и обладают положительными экологическими свойствами. Для их производства требуется во много раз меньше энергии, поэтому выбросы ТО2 (парникового газа), влияющего на окружающую среду, гораздо меньше, чем при производстве цемента [2]. Однако недостатком гипсовых вяжущих является плохая их влагостойкость
Изделия, изготавливаемые на гипсовых вяжущих, характеризуются низкой теплопроводностью и звукоизоляцией, малым весом. Гипсовые материалы огнестойки, способны поглощать излишнюю влагу из воздуха и отдавать ее, когда влажность падает, что, таким образом, способствует созданию отличного микроклимата в помещении [3].
Однако, гипсовые вяжущие и материалы, изготовленные на их основе, характеризуются малой водостойкостью [4]. Низкая водонепроницаемость гипсовых вяжущих объясняется высокой растворимостью дигидрата сульфата кальция, его высокой проницаемостью и расклинивающим воздействием атомов воды, проникающих в межкристаллические полости.
Повысить водостойкость гипсового вяжущего возможно различными путями. Наиболее простой и действенный путь - это создание таких условий при твердении гипсового вяжущего, в результате которого образуются нерастворимые соединения, защищающие двугидрат сульфата кальция от растворения. Наиболее простым и, одновременно, действенным, является создание смешанных гипсовых вяжущих, например гипсоцементно-шлаковых или гипсоцементно-пуццолановых.
Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) -это комбинация гипсового вяжущего, портландцемента и активной минеральной добавки [5]. В качестве активной минеральной добавки могут быть использованы различные минералы, содержащие активный кремнезем: трепел, опока, диатомит, кислые шлаки и золы и др. В последние годы все чаще в качестве активной минеральной добавки начинают применять метакаолин [6].
Метакаолин - это искусственный, безвредный для экосистемы минерал, полученный исключительно из чистого каолинита. В зависимости от используемого сырого материала метакаолин представляет собой порошок от белого до серовато-бежевого или розового цвета с нормальным размером молекул от 5 до 15 мкм. Метакаолин используют как пуццолановую добавку для модификации цементных материалов с целью повышения их прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, химической стойкости, защиты практически от всех видов коррозии бетона и предотвращения образования
сильно формованных бетонных изделий на поверхности [7].
Для определения состава гипсоцементно-пуццоланового вяжущего были взяты следующие материалы: гипсовое вяжущее Г-5 - Г-6 Б(2) ООО «Русгипс» (ГВ) портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н ООО «Хайдельберг Цемент Рус» (ПЦ) и активная минеральная добавка метакаолин ООО «Пласт-Рифей» (МК). Соотношение между компонентами было подобрано по методике [8]: ГВ - 51,6 %, ПЦ -32,3 %, МК - 16,1 %.
Изучение гипсоцементно-пуццоланового теста показало, что нормальная густота полученного вяжущего составила 55,6 %, сроки схватывания: начало 1,5 мин., конец 3,0 мин. При этом прочность при сжатии затвердевшего камня к 7 суткам достигла 13,9 МПа, а к 28 сут - 21,9 МПа. Коэффициент водостойкости на 28 сут составил 0,68. То есть полученное смешанное вяжущее характеризовалось и не высокой прочностью, и малой водостойкость.
Для повышения водостойкости и прочностных показателей к гипсоцементно-пуццолановому вяжущему добавляли модифицирующие добавки -гиперпластификатор Sika ViscoCrete -510 P (ГП), редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas LL 5111 L (РПП) и эфиры целлюлозы WALOCEL MKX 20000 PF 40 (ЭЦ).
Для определения оптимального содержания модифицирующих добавок в составе ГЦПВ было проведено симплекс-планирование эксперимента, в которые вводился комплекс добавок ГП (0,05-0,5%), ЭЦ (0,1-0,5%) и РПП (1-5%) (табл. 1).
Таблица 1. Симплекс-планирование эксперимента
№ Условные Содержание добавок,
координаты масс. %
X У ъ ГП РПП ЭЦ
1 1 0 0 0,5 1 0,1
2 0 1 0 0,05 5 0,1
3 0 0 1 0,05 1 0,5
4 0,5 0,5 0 0,275 3 0,1
5 0 0,5 0,5 0,05 3 0,3
6 0,5 0 0,5 0,3 1 0,3
7 0,33 0,33 0,33 0,2 2,3 0,23
Гиперпластификатор может в целом расширить универсальность комбинаций цемента и гипсового вяжущего (строительного гипса) без снижения
прочности затвердевших составов. Уменьшение требуемого количества воды затворения при введении гиперпластификатора, приводит к существенному снижению пористости и повышению прочности затвердевших составов.
Добавки РПП повышают адгезию растворов, улучшают их трещиностойкость за счет повышения прочности на растяжение и износоустойчивость.
ЭЦ позволяет эффективно регулировать консистенцию и реологические свойства смесей, устранять расслоение и седиментацию, а также повышать устойчивость к температурным колебаниям.
Методом планирования эксперимента было получено семь различных составов ГЦПВ с метакаолином. Для каждого из составов были определены: нормальная густота и сроки схватывания вяжущего, прочность при изгибе и сжатии в возрасте 1, 3, 7, 14 и 28 сут, пористость и водостойкость затвердевшего гипсоцементно-пуццоланового камня.
На основании измеренных значений были получены уравнения регрессии, учитывающее влияние функциональных добавок на изменение значений каждого из рассматриваемых параметров:
унг = 47,2*x+49,6*y+56*z-8*x*y-14,4*x*z+
+7,662е-14*у*2+74,4*х*у*2 (1)
У начало схва-я
-0,68*x*z+0,14*y*z+10,65*x*y*z (2)
У конец схва-я
= 3,73*x+2,83*y+3,18*z-1,12*x*y--0,62*x*z-0,14*y*z+14,64*x*y*z (3)
По данным уравнениям регрессии были построены зависимости влияния
гиперпластификатора, РПП и эфира целлюлозы на данные свойства ГЦПВ (рис. 1).
Анализ уравнения (1) показывает, что больший вклад в значение нормальной густоты вяжущего вносит добавка эфира целлюлозы. Это наглядно видно на рис. 1 а - области с повышенными значения НГ (55-57 %) находятся в верхней части треугольника, где концентрация ЭЦ максимальна. С увеличением содержания гиперпластификатора происходит снижение показателей НГ до 47 %.
Анализируя уравнения (2) и (3) и рис. 1 б, в, можно отметить, что наибольший вклад в сроки схватывания вносит добавка гиперпластификатора.
□ 53
□ 55
□ 57
□ 3,2
□ 3,3
□ 3,4
а б в
Рис.1 Влияние функциональных добавок на нормальную густоту (а), начало (б)
и конец схватывания (в) ГЦПВ
2,9
Определение прочностных показателей для семи составов ГЦПВ позволило рассчитать уравнения регрессии, на основании которых были построены зависимости прочности гипсоцементно-
пуццоланового камня от содержания добавок. На рис. 2 показаны данные по изменению прочности при сжатии ГЦПВ в 1, 7 и 28 сут твердения, однако анализ был проведен во все измеренные временные интервалы твердения, как при сжатии, так и при изгибе.
Если анализировать изменения прочности при изгибе, то уравнения (4) и (5) показывают, что в ранние сроки твердения возрастает влияние добавки гиперпластификатора, а в поздние сроки - РПП.
Упрочность изгиб, 1 сут — 2,9*x+2,5*y+2,2*z+2,8*x*y+
Уирочиость изгиб, 28 сут = 11,9*Х+12,3*у+10*г+4,8*Х*у+ +3*x*z+7,8*y*z-46,8*x*y*z (5)
Yпрочность сжатие, 1 сут = 3,1*x+2,6*y+2,5*z+1,8*x*y+
+4,4*x*z+3,4*y*z-29,7*x*y*z (6)
^^рочность сжатие, 7 сут
+18,4*x*y+17,2*x*z-6,4*y*z-213,6*x*y*z (7)
^^очность сжатие, 28 сут
+18,2*x*y+7*x*z+12,4*y*z-143,4*x*y*z (8)
Аналогичные результаты характерны и для прочности при сжатии, что иллюстрируют уравнения (6)-(8) и рис. 2.
+4,6*x*z+3*y*z-24*x*y*z
(4)
□ 21 □ 23 Ш 25
□ 25
□ 26 □ 27
а б в
Рис.2 Влияние функциональных добавок на прочность ГЦПВ при сжатии при твердении:
а - 1 сут, б - 7 сут, в - 28 сут
Испытания образцов на прочность, водостойкость и пористость позволили выбрать составы, характеризующейся лучшими свойствами по сравнению с без добавочным составом ГЦПВ. Для этого по каждому из уравнений был определен экстремум значения - минимум для показателей НГ и пористости, и максимум - для прочности и водостойкости. В результате анализа полученных результатов были определены содержания добавок, при введении которых прочность ГЦПВ в возрасте 28 сут при изгибе возросла с 10,8 до 14,2 МПа, при сжатии - с 21,9 до 35,3 МПа, пористость понизилась с 27,1 до 10,2 %, а водостойкость возросла с 0,68 до 0,88.
Таким образом, при введении в гипсоцементно-пуццолановое комплекса добавок:
гиперпластификатор Sika, ViscoCrete -510 P 20 - 0,25 %, редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas LL 5111 L - 3,25% и эфир целлюлозы WALOCEL MKX 20000 PF 40 - 0,10 % возможно получение прочного и водостойкого гипсового вяжущего.
Список литературы
1. Потапова Е. Н. Технология сухих строительных смесей. Материалы для производства сухих строительных смесей. М.: РХТУ. 2020. 156 с.
2. Локтионова М.Д., Потапова Е.Н. Свойства композиционных гипсовых вяжущих // Успехи в
химии и химической технологии. 2020. Т.34. № 5(228). С. 50-52
3. Ферронская А. В. Развитие теории и практики в области гипсовых вяжущих веществ// Сб. «Развитие теории и технологий в области силикатных и гипсовых материалов». Ч.1. М. : МГСУ. 2000. С.47-56.
4. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник. Под общей ред. А.В.Ферронский. М. : Издательство АСВ. 2004. 488 с.
5. Коровяков В.Ф. Повышение водостойкости гипсовых вяжущих веществ и расширение областей их применения// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. № 3. С. 2831.
6. Potapova E., Dmitrieva E. The effect of metakaolin on the processes of hydration and hardening of cement/ Materials Today: Proceedings. 2019. Volume 19. Part 5. Рр. 2193-2196.
7. Захаров С. А., Калачик Б. С. Высокоактивный метакаолин (ВМК) как инновационное решение для бетонов и сухих строительных смесей: Доклад -Москва. 2009.
8. ТУ 21-31-62-89 Гипсоцементнопуццолановое
вяжущее вещество. Технические условия. М.: Издательство стандартов. 1989. 19 с.
