CC BY
20Материалы и конструкции
УДК 691.332
В.С. ИЗОТОВ, д-р техн. наук, Р.Х. МУХАМЕТРАХИМОВ, канд. техн. наук ([email protected]), А.Р. ГАЛАУТДИНОВ, инженер
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
Комплексная добавка для повышения эффективности гипсоцементно-пуццоланового вяжущего
На российском рынке пластифицирующих добавок в настоящее время представлено множество гипер- и суперпластификаторов различных марок. Однако эффективность применения этих добавок заявлена производителями в основном для композиций на цементной основе. Это вызывает необходимость исследования работы современных пластифицирующих добавок и их комплексов в гипсоцементно-пуццолановых композициях. Выполненные исследования позволили установить влияние пластифицирующих добавок и комплексов на их основе на реологические и физико-механические свойства композиционного гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, а также определить оптимальное содержание пластификаторов в составе комплексной добавки. Показано, что введение исследуемых пластифицирующих добавок и их комплексов позволяет улучшить эксплуатационные свойства изделий на основе гипсоцементно-пуццолановых вяжущих, что выражается в повышении предела прочности при изгибе на 70,3%, при сжатии - на 82,7%, а также в увеличении водостойкости на 66%; при замедлении кинетики начального структурообразования. Данные результаты достигаются благодаря формированию более плотной поровой структуры образцов на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, модифицированного пластифицирующими добавками. Так, полный объем пор снижается на 9%, открытых капиллярных пор - на 16,8%, открытых некапиллярных пор - на 1%, объем условно-закрытых пор увеличивается на 8,8%, показатель микропористости увеличивается на 0,38. Это позволяет значительно расширить область применения изделий на основе модифицированного гипсоцементно-пуццоланового вяжущего при изготовлении широкого спектра строительных изделий.
Ключевые слова: гипс, цемент, комплексная добавка, суперпластификатор, гиперпластификатор.
V.S. IZOTOV, Doctor of Sciences (Engineering), R.Kh. MUKHAMETRAKHIMOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.R. GALAUTDINOV, Engineer
Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, 420043, Russian Federation)
A Complex Additive for Improving Efficiency of a Gypsum-Cement-Pozzolanic Binder
At present, a lot of hyper-plasticizers and super-plasticizers of various brands are presented at the Russian market of plasticizing additives. But the efficient use of these additives is announced by the producers for compositions on the cement base mainly. This raises the need to study the work of modern plasticizing additives and their complexes in gypsum-cement-pozzolanic compositions. The studies conducted make it possible to determine the effect of plasticizing additives and complexes on their basis on the rheological and physical-mechanical properties of a composite gypsum-cement-pozzolanic binder, as well as to determine the optimal content of plasticizers in the composition of the complex additive. It is shown that the introduction of plasticizing additives and their complexes makes it possible to improve the operating properties of products on the basis of gypsum-cement-pozzolanic binders that results in improving the flexural strength by 70.3%, compression strength - by 82.7%, as well as improving the water resistance by 66% at slowing the kinetics of initial structure formation. These results are achieved through the formation of the more dense porous structure of samples on the basis of the gypsum-cement-pozzolanic binder modified with plasticizing additives. Thus, the total volume of pores is reduced by 9%, open capillary pore is reduced by 16.8%, open non-capillary pores is reduced by 1%, the volume of conditionally-closed pores is increasesd by 8.8%, an index of micro-porosity is increased by 0.38. This makes it possible to significantly expand the application field of products on the basis of the modified composite binder when producing a wide range of building products.
Keywords: gypsum, cement, complex additive, super-plasticizer, hyper-plasticizer.
На российском рынке пластифицирующих добавок (ПД) в настоящее время представлено множество гиперпластификаторов (ГП) и суперпластификаторов (СП) различных марок: ВазШ®, Glenium®, МеШих®, Sika ^зсоСге1е® и др. Однако эффективность применения этих ГП заявлена производителями в основном для композиций на цементной основе. Известно, что работа ГП во многом зависит от щелочности среды и в композициях на основе гипсовых и смешанных вяжущих не всегда достигается желаемый результат. Для замедления схватывания гипсовых систем используются органические кислоты, введение которых приводит к снижению конечной прочности изделий, и добавки, замедляющие схватывание гипса [1], которые требуют исследования совместной работы с ПД. В работе [2] показаны особенности взаимодействия гиперпластификаторов с органическими кислотами, применяемыми для замедления схватывания гипсовых систем, а также влияние стери-ческого эффекта и значения дзетта-потенциала гиперпластификаторов в системах на комплексном вяжущем на их пределы прочности при сжатии и изгибе [3]. Весьма интересны в этом отношении исследования, направленные на разработку ПД, обладающих эффектом замедления кинетики начального структурообразова-
ния вяжущих, но не влияющие на кинетику твердения и прочность изделий на их основе [4]. Поэтому исследование работы современных ПД в гипсоцементно-пуц-цолановых композициях, а также разработка комплексных добавок (КД), обладающих эффектом повышения прочности изделий при замедлении кинетики начального структурообразования, являются актуальной задачей. Это позволит расширить область применения ГВ, например при производстве эффективных гипсовых материалов для устройства межкомнатных перегородок [5] или гипсоволокнистых листов для отделки зданий и сооружений [6].
Целью исследований явилось установление влияния различных ПД на нормальную густоту и сроки схватывания цементного вяжущего (ЦВ), гипсового вяжущего (ГВ) и ГЦПВ, а также изучение их влияния на пределы прочности ГЦПВ на основе низкомарочного гипса и разработка КД для ГЦПВ, обладающей высоким водореду-цирующим эффектом с одновременным замедлением кинетики начального структурообразования для повышения прочности и водостойкости изделий на его основе.
Для приготовления гипсоцементно-пуццоланового вяжущего использовали строительный гипс Гб Б11 произвоства ООО «Аракчинский гипс», произведенный по ГОСТ 125—79,
научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf
август 2016
70 60 50 40 30 20 10 0
70 60 50 40 30 20 10 0
' ' \
\ 1
/ J Г'
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 Содержание добавки Glenium® Sky 591, %
i 0,5 1 1,5 2 2,5 Содержание добавки Glenium® Ace 430, %
70 60 50 40 30 20 10 0
1
3
——■-- \2
70 60 50 40 30 20 10 0
■ Т- ' -
1
/ -г"4 2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Содержание добавки Glenium® Mix Sky 323, %
70 60 50 40 30 20 10 0
70 60 50 40 30 20 10 0
70 60 50 40 30 20 10 0
1
3
г ---- — ■ 2
4г— ■--
0 0,5 1 1,5 2 2,5 Содержание добавки Glenium® Sky 115, %
1
3
. \ - 1
и--
\2
0,5 1 1,5 2 Содержание добавки Одолит-К, %
0,5 1 1,5 2 2,5 Содержание добавки Бест-ТБ, %
Рис. 1. Зависимости влияния водоредуцирующего эффекта от содержания различных пластифицирующих добавок: 1 - ПЦ; 2 - ГВ; 3 - ГЦПВ
Таблица 1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 Содержание добавки Бест-СПл, %
портландцемент Белгородского цементного завода ПЦ500 Д0; в качестве активной минеральной добавки (АМД) использовали метакаолин с гидравлической активностью 1238 мг/г (ТУ 5729-098-12615988-2013), выбранный из широкого спектра природных и техногенных АМД с учетом предыдущих исследований [7], выполненных по методике [8] при соотношении гипс:портландцемент: АМД - 76:20:4 мас. %.
В качестве ПД использовали: ГП Одолит-К производства ООО «Сервис-Групп» (ТУ 5745-01-9632657408), Glenium® Sky 591, Glenium® Mix sky 323, Glenium® 115, Glenium® Ace 430 производства ООО «BASF Строительные системы»; пластификаторы Бест-ТБ, Бест-СПл производства ООО «Инновационные Технологии».
На первом этапе изучали влияние исследуемых пластифицирующих добавок на реологические свойства ГВ, ЦВ и ГЦПВ. Для сопоставления результатов все исследования выполнены по ГОСТ 23789-79. Результаты испытаний приведены на рис. 1.
Как видно на кривых рис. 1, водо-редуцирующий эффект существенно зависит от вида вяжущего, ПД и ее содержания. Наилучший водоредуцирую-щий эффект в цементном вяжущем показывает ПД Одолит-К - 61,7%; Glenium® Sky 115 - 61,6%; Glenium®
Вид ГП Содержание ГП, % от массы Сроки схватывания, мин R МПа R МПа кр
вяжущего Начало Конец
- - 5 8 6 18,5 0,45
0,5 13 17 6,61 13,99 0,45
Бест-СПл 1 22 25 6,37 13,44 0,54
1,5 31 35 6,16 12,71 0,45
0,5 34 38 6,3 19,1 0,59
1 112 124 6,5 21,81 0,55
Бест-ТБ 1,5 198 223 6,88 16,76 0,52
2 244 263 4,88 14,97 0,5
2,5 259 281 4,23 12,75 0,48
0,5 5 7 6,75 25,71 0,56
1 5 7 7,1 26,96 0,58
Одолит-К 1,5 5 7 7,43 28,32 0,6
2 6 8 8,11 24,04 0,59
2,5 6 9 7,64 24,01 0,58
Glenium® 115 0,5 5 7 8,17 24,9 0,48
1 7 9 9,42 25,1 0,54
1,5 10 12 9,42 27,46 0,56
Glenium® Ace 430 0,5 4 6 8,58 26,45 0,46
1 3,5 4,5 9,16 31,14 0,48
1,5 3,5 5 10,22 33,8 0,49
Glenium® 0,5 6 7.5 7,18 19,6 0,51
Mix Sky 1 11,5 13 8,23 22,5 0,52
323 1,5 23 24,5 8,99 25,1 0,58
Glenium® Sky 591 0,5 6 7 7,07 25,09 0,43
1 5 6 7,61 26,29 0,47
1,5 11 12 7,73 31,76 0,55
0
. •■■ >' у.: , п : г;-' научно-технический и производственный журнал
август 2016 71
Ма териалы и конструкции
= «
>s S -О S X О. -А С
i® S
»1 gx
* я
140 120 100 80 60 40 20 0
с u
<в 5 = Si
IS о
i s
i а-
о о
О X
О £
160 140 120 100 80 60 40 20 0
10 15 20
Время твердения, сут
25
30
25
30
Рис. 2. Зависимости относительного предела прочности при изгибе (а) и сжатии (б) от времени твердения образцов: 1 Бест-ТБ 50%; 3 - Одолит 25%, Бест-ТБ 75%; 4 - Одолит 75%, Бест-ТБ 25%
10 15 20
Время твердения, сут
контрольный; 2 - Одолит 50%,
Sky 591 - 61%; Glenium® Ace 430 - 59,1%; Glenium® Mix Sky 323 - 57,3%; в гипсовом: ПД Одолит-К - 21,6%; Glenium® Sky 591 - 15,7%; в гипсоцементном: ПД Одолит-К - 45,7%; Glenium® Ace 430 - 40,2%. При близких показателях водоре-дуцирующего эффекта исследуемых ПД в цементном вяжущем введение их в гипсовое и гипсоцементное вяжущее не всегда приводит к значительному снижению количества воды затворения, что, вероятно, связано с различным составом и механизмом действия ПД.
Испытания образцов гипсоцементно-пуццоланово-го камня с ПД проводили на стандартных образцах-ба-лочках размерами 4x4x16 см, из формовочной смеси нормальной густоты по методике, описанной в ГОСТ 23789-79. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
Как видно из данных табл. 1, исследуемые ПД оказывают различное влияние на процессы структурообра-зования ГЦПВ, что выражается в изменении сроков схватывания и показателей прочности.
Гиперпластификаторы Одолит-К и Glenium® Ace 430 незначительно ускоряют сроки схватывания, а Glenium® Sky 591 с увеличением дозировки замедляет на 3-6 мин начало и конец схватывания.
Наибольшим эффектом замедления кинетики начального структурообразования обладает добавка Бест-ТБ (принята в качестве компонента КД), которая относится к суперпластификаторам первой группы и представляет собой сополимер на основе эфиров карбоновых кислот с добавлением фосфатного компонента. В зависимости от содержания (0,5-2,5%) начало схватывания замедляется на 27,5-252,5 мин, конец схватывания на 30-273 мин.
Снижение количества воды затворения приводит к увеличению пределов прочности при изгибе и сжатии, а также коэффициента размягчения (Кр). Так, в зависимости от дозировки ГП Glenium® Ace 430 увеличивает показатели прочности при сжатии на 43-82,7%; Glenium® Sky 591 - на 35,6-71,7%; Одолит-К - на 29,8-53,1%.
Исследуемые ГП также оказывают существенное влияние на относительный предел прочности при изгибе образцов ГЦПВ, однако в меньшей степени, чем при сжатии. Так, в зависимости от дозировки ГП Glenium® Ace 430 увеличивает показатели прочности при изгибе на 43-70,3%; Glenium® 115 - на 36,2-57%; Одолит-К - на 12,5-35,2%.
Показатели водостойкости образцов ГЦПВ при введении различных ГП в их состав также повышаются. Наиболее эффективными с этой точки зрения являются следующие добавки (в порядке убывания): Одолит-К, Бест-ТБ, Glenium® Mix Sky 323, Glenium® 115.
На втором этапе исследований определили оптимальное соотношение компонентов КД для ГЦПВ [9], в качестве которых приняли ГП Glenium® Ace 430, Одолит-К, Glenium® Sky 591, Glenium® 115 и СП Бест-ТБ, так как при введении этих химических добавок достигается наибольшее повышение пределов прочности ГЦПК и замедление кинетики начального структурообразования.
В качестве химических добавок для дальнейших исследований приняты ГП Одолит-К и СП Бест-ТБ, так как
при взаимодействии этих ПД наблюдается синергетиче-ский эффект, который позволяет замедлить кинетику начального структурообразования при увеличении конечной прочности изделий. При совместном введении в ГЦПВ ГП марки Glenium совместно с СП Бест-ТБ наблюдался противоположный эффект. Комплексная добавка вводилась в гипсоцементно-пуццолановую смесь с водой затворения в виде водного раствора в количестве 1—1,5% от массы вяжущего. Водный раствор добавлялся в гипсо-цементно-пуццолановую смесь до достижения нормальной густоты по ГОСТ 23789—79. Составы КД и результаты механических испытаний образцов приведены в [9].
Гипсоцементно-пуццолановые смеси, модифицированные предлагаемой КД, обладают высокой конечной прочностью, повышенным коэффициентом размягчения и замедленной кинетикой начального структуро-образования, что выражается в удлинении начала (4,5—59 мин) и конца схватывания (3,5—61,5 мин). В зависимости от содержания КД в составе ГЦПВ и соотношения компонентов в составе КД предел прочности при изгибе повышается на 8,1—27,7%, при сжатии — на 13,7—55,3%, коэффициент размягчения увеличивается на 66%.
Кинетика твердения гипсоцементно-пуццолановой смеси с КД в количестве 1,5% от массы вяжущего показана на рис. 2. За 100% принята прочность контрольного образца в возрасте 28 сут.
Из рис. 2 видно, что введение КД позволяет увеличить пределы прочности при изгибе и сжатии на всех этапах твердения. Так, в зависимости от соотношения компонентов в составе КД относительный предел прочности при сжатии образцов в трехсуточном возрасте увеличивается на 9,8—70,8%, при изгибе — на 15,4—49%. Увеличение пределов прочности при изгибе и сжатии образцов на основе ГЦПВ с добавлением КД свидетельствует о формировании более плотной поровой структуры.
Влияние КД и ее компонентов на формирование по-ровой структуры ГЦПК показано в табл. 2. Исследования выполняли по методике, изложенной в ГОСТ 12730.4—78. Для исключения растворения сульфата кальция образцы ГЦПК насыщали керосином.
Из табл. 2 следует, что максимально высокая пористость характерна для образца без добавок. При введении добавок Бест-ТБ и Одолит-К наблюдается снижение полного объема пор на 3,5 и 5,6%; объема открытых капиллярных пор — на 7,3 и 16,5%; объема открытых некапиллярных пор — на 0,6 и 0,9%; увеличение объема условно-закрытых пор — на 4,4 и 11,8 %; показателя микропористости — на 0,08 и 0,33 соответственно. При совместном введении этих добавок (КД) в состав ГЦПВ наблюдается синергетический эффект, который приводит к улучшению показателей микропористости образцов ГЦПК по сравнению с образцами, модифицированными отдельными компонентами добавки. Так, в образцах с КД полный объем пор — на 9%, объем открытых капиллярных пор — на 16,8%, открытых некапиллярных
б
а
0
5
0
5
научно-технический и производственный журнал ^fy(j'f |г ('SJI^l^jJ^ 72 август 2016 l'j ! ®
Таблица 2
Добавки Содержание добавки, % Показатели поровой структуры
Полный объем пор, (Пп) Объем открытых капиллярных пор, (По) Объем открытых некапиллярных пор, (Пмз) Объем условно-закрытых пор, (Пз) Показатель микропористости, (Пмк)
Без добавок - 42,2 23,7 1,2 17,3 0,18
Бест-ТБ 0,5 38,7 16,4 0,6 21,7 0,26
Одолит-К 1,5 36,6 7,2 0,3 29,1 0,51
КД 2 33,2 6,9 0,2 26,1 0,56
пор — на 1%, объем условно-закрытых пор увеличивается на 8,8%, показатель микропористости увеличивается на 0,38. Это свидетельствует о формировании более плотной структуры ГЦПК.
Выводы.
1. Изучено влияние ПД на реологические свойства ГВ, ЦВ и ГЦПВ. Установлено, что при близких высоких показателях водоредуцирующего эффекта исследуемых ПД в ЦВ введение их в ГВ и гипсоцементное вяжущее не всегда приводит к значительному снижению количества воды затворения. Наиболее эффективным является ГП Одолит-К, введение которого позволяет значительно снизить водопотребность всех типов исследуемых вяжущих. Также изучено влияние ПД на физико-механические свойства ГЦПВ. Установлено, что наиболее эффективными из числа исследуемых ПД являются Glenium® Ace 430 и Одолит-К. Так, в зависимости от дозировки Glenium® Ace 430 увеличивает показатели прочности при сжатии на 43—82,7%, при изгибе — на 43—70,3%; Одолит-К: при сжатии — на 29,8—53,1%, при изгибе — на 12,5—35,2%.
2. Установлено, что ПД Бест-ТБ обладает эффектом замедления кинетики начального структурообразования
Список литературы
1. Литвиненко С.В. Применение замедлителя схватывания для гипсовых вяжущих Retardan 225P // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 26—27.
2. Пустовгар А.П., Бурьянов А.Ф., Василик П.Г. Особенности применения гиперпластификаторов в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 62-65.
3. Халиуллин М.И., Нуриев М.И., Рахимов Р.З., Гайфуллин А.Р. Влияние пластифицирующих добавок на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 6. С. 119-122.
4. Патент РФ 2262490. Замедляющий схватывание суперпластификатор / Вовк А.И. Заявл. 02.12.2003. Опубл. 20.10.2005. Бюл. № 29.
5. Бурьянов А.Ф. Эффективные гипсовые материалы для устройства межкомнатных перегородок // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 30-33.
6. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С. 135-137.
7. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Исследование влияния активных минеральных добавок на реологические и физико-механические свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 20-23.
8. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия. Производство и применение. М.: АСВ, 2004. 451 с.
9. Патент РФ 2519313. Комплексная добавка / Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Заявл. 29.01.2013. Опубл. 10.06.2014. Бюл. № 16.
ГВ и ГЦПВ и в зависимости от содержания (0,5-2,5%) позволяет замедлить начало схватывания на 27,5-252,5 мин, конец схватывания - на 30-273 мин при сохранении высоких темпов набора прочности ГЦПВ.
3. Разработана новая КД для ГЦПВ, позволяющая существенно повысить прочность при замедлении процессов начального структурообразования. Так, в зависимости от концентрации КД начало схватывания увеличивается на 4,5-59 мин, конец схватывания - на 3,5-61,5 мин, при этом относительный предел прочности при сжатии образцов в трехсуточном возрасте увеличивается на 9,842,2%, при изгибе - на 15,4-27,1%. Введение КД в ГЦПВ позволяет увеличить пределы прочности на 28-е сут твердения: при сжатии - на 55,3%, при изгибе - на 27,7%, а также коэффициент размягчения на 66%.
4. Полученное ГЦПВ, модифицированное новой комплексной добавкой, позволяет изготовить изделия с высокой конечной прочностью и водостойкостью при замедлении кинетики начального структурообразования. Введение комплексной добавки способствует формированию более плотной поровой структуры образцов на основе ГЦПВ, чем обусловлено увеличение пределов прочности и коэффициента размягчения.
References
1. Litvinenko S.V. Application of retarder for gypsum binders Retardan 225P. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 7, pp. 26-27. (In Russian).
2. Pustovgar A.P., Bur'yanov A.F., Vasilik P.G. Features of the application of plasticizing additives in a dry building mixtures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 62-65. (In Russian).
3. Khaliullin M.I., Nuriev M.I., Rakhimov R.Z., Gaifullin A.R. Effect of plasticizers on the properties of gypsum cement-pozzolan binder. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo uni-versiteta. 2015. No. 6, pp. 119-122. (In Russian).
4. Patent RF 2262490. Zamedlyayushchiy skhvatyvanie superplas-tifikator [Retarding superplasticizer]. Vovk A.I. Declared 02.12.2003. Published 20.10.2005. Bulletin No. 29. (In Russian).
5. Bur'yanov A.F. Effective gypsum materials for interior partitions. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 8, pp. 30-33. (In Russian).
6. Izotov V.S., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R. Influence of polypropylene fiber on the basic properties of gypsum cement-pozzolan binder. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015. No. 1, pp. 135-137. (In Russian).
7. Izotov V.S., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R. Investigation of the effect of active mineral admixtures on the rheological and mechanical properties of gypsum ce-ment-pozzolan binder. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 5, pp. 20-23. (In Russian).
8. Ferronskaya A.V. Gipsovye materialy i izdeliya. Proizvodstvo iprimenenie [Gypsum materials and products. The production and use]. Moscow. ASV. 2004. 451 p.
9. Patent RF 2519313. Kompleksnaya dobavka [Complex additive]. Izotov V.S., Mukhametrakhimov R.Kh., Galautdinov A.R. Declared 29.01.2013. Published 10.06.2014. Bulletin No. 16. (In Russian).
. : , ^ : ; Г,-' научно-технический и производственный журнал август 2016
