CC BY
18УДК 691.311:691.545
А.П. СВИНЦОВ, д-р техн. наук, Ю.В. НИКОЛЕНКО, канд. техн. наук, К.В. КВАРТЕНКО, магистр техники и технологии (ppkvk@mail.ru), Российский университет дружбы народов (Москва)
Легкий строительный материал на основе быстротвердеющих вяжущих
С каждым годом возрастает потребность в относительно недорогих, но эффективных строительных материалах, особенно в стеновых. Ограждающие конструкции зданий должны обладать заданными физико-механическими, тепло- и звукозащитными свойствами. Эффективным направлением повышения технико-экономических характеристик наружных ограждений считается создание различных многослойных конструкций. Однако пока не удалось создать простые и удобные для производства и применения конструкции.
Решением проблемы может стать разработка пори-зованных материалов на основе быстротвердеющих вяжущих, например гипса и смесей на его основе.
Целью настоящих исследований являлось устранение вышеперечисленных недостатков или сведение их влияния до минимального. В наименьшей степени недостатки проявляются в гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ). Содержание гипса в них составляет 50—80 мас. %.
Основная проблема композиции из гипсового вяжущего и портландцемента — установление закономерностей формирования устойчивости структур при их совместном твердении.
Авторами главенствующей концепции механизма твердения и деструкции гипсоцементных систем являются известные ученые А.В. Волженский, А.В. Феррон-ская и др. Согласно данной концепции разрушение гипсоцементно-пуццоланового (ГЦП) материала происходит в результате образования эттрингита — трех-сульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (3Са0А1203-3Са804-32Н20), чей объем значительно превосходит сумму объемов исходных соединений.
Введение гидравлической добавки (кроме интенсификации образования гидросиликатов кальция) приводит к снижению концентрации гидроксида кальция в твердеющей системе. Уровень снижения обеспечивает перевод высокоосновных гидроалюминатов кальция в низкоосновные и создает условия метастабильного существования эттрингита. Благодаря этому в ГЦП-системах вместо эттрингита образуется моносульфатная форма гидросуль-фоалюмината кальция (3Са0-А12О3Са8О412Н2О), а также другие новообразования, не создающие напряжения в полученной структуре.
По мнению Т.И. Розенберг и В.Б. Ратинова [1], разрушение ГЦП-систем обусловливается не наличием или количеством эттрингита, а исключительно временем, местом и скоростью его выкристаллизовывания из раствора.
Результаты исследований, проведенных Ф.Ф. Алксни-сом [2], показали, что разрушение гипсоцементных композиций происходит в зависимости от условий эксплуатации и вызывается не только эттрингитом, но и таумаситом (гидросульфокарбосиликат кальция состава 3СаО8038Ю214,5Н2О). При этом установлено, что оптимальные условия образования эттрингита и таумасита являются взаимно невыгодными или взаимоисключающими. Так, воздействие С02 интенсифицирует образование таумасита, однако способствует разложению эттрингита и приводит к утрате возможности его восстановления из карбонизированных продуктов.
Для образования эттрингита оптимальной температурой является 40оС, а для таумасита 4оС. При температуре выше 25оС образование таумасита не установлено.
Исследования Ф.Ф. Алксниса показали, что в гипсо-цементных материалах определяющим элементом, приводящим к разрушению цементирующего камня, служит не столько гидросульфоалюминат, сколько гидросуль-фокарбосиликат кальция. Деструкция гипсоцементного камня вызывается не наличием таумасита в его составе, а условиями его образования.
Для борьбы с разрушением гипсоцементного материала А.В. Волженский предложил вводить в смесь пуц-цолановые добавки.
Более перспективным и менее сложным способом обеспечения долговечности гипсоцементного камня является применение релаксаторов, гасящих напряжения от образования таумасита. В качестве активных микронаполнителей-релаксаторов напряжений пригодны древесная мука, древесные опилки и другие измельченные органические продукты естественного происхождения. К релаксаторам напряжений могут быть отнесены пески вспученного перлита с объемной насыпной плотностью менее 200 кг/м и просто воздушные поры, равномерно распределенные по всему объему гипсоцементного камня.
Однако применение органических волокнистых материалов (древесины, бумаги, шерсти животных и др.) имеет существенные недостатки: происходит их набухание под влиянием влаги и усадка при ее отдаче, что приводит к потере сцепления. Кроме того, эти волокнистые материалы неустойчивы к грибковым поражениям [3]. Тем не менее в результате исследований установлена принципиальная возможность получения долговечного материала на основе гипсоцементной композиции с использованием релаксаторов, гасящих напряжения.
Ф.Ф. Алкснис рекомендует для получения гипсоце-ментных смесей использовать химические добавки, обладающие свойствами ПАВ и способные диспергировать частицы твердой фазы и образовывать на их поверхности прочные сольватные оболочки, а также вовлекать воздух. В качестве добавок рекомендуется использовать ЛСТ (технические лигносульфонаты) в сочетании с добавкой СНВ (нейтрализованная возду-хововлекающая смола) в количествах 1—2% и 0,02—0,1% к массе портландцемента (в расчете на сухие вещества).
Авторами выполнены исследования возможности замены цемента на вяжущее низкой водопотребности — ВНВ-30 в гипсоцементном вяжущем. У ВНВ-30 цементная часть составляет 30 мас. %, а остальное — тонкомолотый песок с удельной поверхностью, равной или большей удельной поверхности цемента.
Для сравнения эффективности замены провели испытания системы гипс — портландцемент. Количество вводимого в гипс цемента ограничивалось 10% от массы гипса. Прочность образцов при изгибе и сжатии через 2 ч затворения возросла на 52% по сравнению с контрольными (гипсовыми).
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
: ® декабрь 2010 4Г
_ 2
3 1 Х4^^
2 3 5 10 20 40 Содежание ВНВ-30 и ПЦ, % от массы вяжущего
50
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии гипсовых образцов от количества ВНВ-30 и ПЦ через 2 ч: 1 - прочность образцов с ВНВ-30 при постоянном водовяжущем отношении; 2 - прочность образцов с ВНВ-30 при постоянной подвижности смеси; 3 - прочность образцов через 2 ч с добавлением цемента
35 30 25 20 15 10 5 0
0 0,1 0,2 0,26 0,33 0,4 0,44 0,6 0,73 0,8 Содержание гипсового вяжущего, мас. ч. композиции
Рис. 2. Влияние количества гипсового вяжущего на прочность гипсо-цементного камня: 1 - прочность образцов из гипса с добавкой ВНВ-30; 2 - прочность образцов из гипса с добавкой ПЦ
0
Аналогичные эксперименты провели с добавкой ВНВ-30. Результаты испытаний приведены на рис. 1.
Из рисунка видно, что у образцов с добавкой портландцемента максимум прочности на 9% ниже, чем у образцов с ВНВ-30, хотя клинкерной части в ВНВ в 3 раза меньше. Коэффициент водоразмягчения образцов, модифицированных как ПЦ, так и ВНВ-30, соответствовал 0,6, тогда как у контрольных составлял 0,35.
Рост прочности образцов с ВНВ-30 в возрасте 28 сут по сравнению с гипсовыми составил 1,9—2,7 раза при оптимальном количестве ВНВ в вяжущем, равном 3—30%. С уменьшением содержания гипса в вяжущем от 50 до 20% прочность образцов через 2 ч снижается, а в возрасте 28 сут соответственно увеличивается. Влияние количества гипсового вяжущего на характеристики гип-соцементного камня приведено на рис. 2.
Установлено, что при введении указанного количества гипса в ПЦ наблюдается резкое уменьшение кристаллической фазы в структуре камня с 50 до 35%. Основную часть кристаллической фазы составляет гидратиро-ванный цемент.
Необходимо отметить, что только изредка в структуре встречаются зерна гипса. Заполняющий материал частично теряет свою аморфную структуру и приобретает равномерное мелкозернистое строение, а ее кристаллическая фаза является рентгеноаморфной. Влияние добавок гипса на кинетику структурообразования водо-цементной пасты [2] представлено на рис. 3.
Из этого рисунка видно, что гипс явно проявляет свои свойства начиная с количества 20% от массы вяжущего. Полученный цементно-гипсовый камень обладает практически свойствами цементного. Проведенные исследования выявили возможность создания композиционного стенового материала, в котором содержание гипса может варьироваться в широких пределах в зависимости от заданных свойств.
Возможность получения ячеистых гипсобетонов известна давно. Поризация смесей на основе строительного гипса приводит к созданию материала, обладающего низкой прочностью и водостойкостью. Применение для этих целей гипсоцементных вяжущих устраняет эти недостатки. В настоящее время для поризации используют либо пенообразователи, либо газообразующие добавки.
Авторами предложено другое решение — проводить поризацию смеси за счет расширения защемленного воздуха в специальной камере-форме.
Эксперименты показали, что не всякая смесь может равномерно поризоваться. На процесс порообразования влияет: гомогенность смеси, подвижность, время схватывания, время выдерживания в камере, пластическая прочность, высота подъема смеси.
Применение обычного кварцевого песка в качестве заполнителя приводит к расслоению смеси, особенно в процессе поризации. Расчетным путем установлено, что полное «зависание» частиц возможно только при усло-
Рис. 3. Влияние добавок гипсового вяжущего на кинетику структурооб-разования водоцементной пасты: 1 - гипс без добавок; 2 - добавка гипса 5%; 3 - добавка гипса 10%; 4 - добавка гипса 25%
вии равенства плотностей теста из ГЦ вяжущего и заполнителя.
В результате проведения многочисленных экспериментов установлено, что наилучшим заполнителем является молотый песок.
Подвижность смеси определялась только опытным путем. Расплыв гипсоцементной смеси по вискозиметру Суттарда составил 25—30 см. Сроки схватывания гипса растягивались до 15—20 мин, так как быстрое твердение приводит к дефектам — продольным трещинам. Чем выше образец, тем более длительны сроки схватывания.
Достаточная пластическая прочность достигнута при минимальном содержании гипса, равном 0,2 мас. ч. к композиции.
В отличие от формования газо- и пенобетонов в предлагаемой технологии отпадает необходимость срезания верхней ослабленной части (горбушки), поскольку формование происходит в герметически закрытой форме-камере, в которой твердая фаза испытывает всестороннее обжатие.
В результате получается материал, по свойствам отвечающий стандартам на ячеистые бетоны, но значительно превосходящий их по водостойкости и морозостойкости, поскольку основой является гидравлическое вяжущее — портландцемент или ВНВ.
Ключевые слова: гипс, цемент, вяжущее, бетон.
Список литературы
1. Розенберг Т.Н., Кучеряева Г.Д., Смирнова И.А., Ратинов В.Б. Исследование механизма твердения гипсо-цементно-пуццолановых вяжущих // Сб. трудов ВНИИжелезобетона, 1964. Вып. 9. С. 160-169.
2. Алкснис Ф.Ф. Твердение и деструкция гипсоцементных композиционных материалов. Л.: Стройиздат, 1988. 103 с.
3. Брюкнер Х., Дейлер Е, Фитч Г. и др. Гипс: изготовление и применение гипсовых строительных материалов. М.: Стройиздат, 1981. 223 с.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
""48 декабрь 2010 *
