CC BY
22УДК 691.311
Н.А. ГАЛЬЦЕВА, инженер (galcevanadezda@mail.ru), А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук (rga-service@mail.ru), В.Г. СОЛОВЬЕВ, канд. техн. наук (s_vadim_g@mail.ru), Д.И. ТКАЧЕНКО, магистр
Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Модифицированное вяжущее на основе синтетического ангидрита для закладочных смесей
Приведены результаты исследования модификации синтетического ангидрита сульфата кальция, полученного при взаимодействии концентрированной H2SO4 и молотого известняка для использования в приготовлении закладочных смесей. Определен оптимальный состав модифицированного ангидритового вяжущего с портландцементом в количестве 2,5% и сульфатом калия в количестве 1% от массы ангидрита, отвечающего требованиям, предъявляемым к закладочным смесям по технологическим и физико-механическим свойствам. Установлено влияние пластификатора на структурообразование разработанного модифицированного вяжущего, а также оптимальное содержание ангидрита и двуводного гипса в затвердевшей системе, при котором обеспечиваются максимальные физико-механические свойства.
Ключевые слова: синтетический ангидрит, модифицированное вяжущее, пластификатор, структура, физико-механические свойства.
Для цитирования: Гальцева Н.А., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Г., Ткаченко Д.И. Модифицированное вяжущее на основе синтетического ангидрита для закладочных смесей // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 74-76.
N.A. GALCEVA, Engineer (galcevanadezda@mail.ru), A.F.BURIANOV, Doctor of Sciences (Engineering) (rga-service@mail.ru), V.G. SOLOVIEV, Candidate of Sciences (Engineering) (s_vadim_g@mail.ru), D.I. TKACHENKO, Magister Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Shosse, 129337, Moscow, Russian Federation)
A Modified Binder on the Basis of Synthetic Anhydrite for Stowing Mixtures
Results of the study of modification of the synthetic anhydrite of calcium sulfate obtained at interaction of the concentrated H2SO4 and ground limestone for the use when preparing stowing mixtures are presented. The optimal composition of the modified anhydrite binder with 2.5% of Portland cement and 1% of calcium sulfate of the anhydrite mass meeting the requirements for stowing mixtures concerning their technological and physical-mechanical properties has been determined. The influence of a plasticizer on the structure formation of the developed modified binder as well as the optimal content of the anhydrite and calcium sulfate dehydrate in the hardened system, which provides maximal physical-mechanical properties, have been determined.
Keywords: synthetic anhydrite, modified binder, plasticizer, structure, physical-mechanical properties.
For citation: Galceva N.A., Burianov A.F., Soloviev V.G., Tkachenko D.I. A modified binder on the basis of synthetic anhydrite for stowing mixtures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 8, pp. 74-76. (In Russian).
Материалы на базе ангидрита уже много лет находят широкое применение в строительстве, в том числе в качестве компонента для закладочных смесей, так как ангидрит имеет высокую прочность, замедленные сроки схватывания и характеризуется отсутствием объемного расширения при твердении.
В настоящее время остро стоит проблема утилизации многотоннажных отходов пирометаллургической промышленности — концентрированной серной кислоты, получаемой из выбросов SO2. Современные методики позволяют получить после обработки ее кальцийсо-держащими нейтрализующими реагентами различные модификации сульфата кальция [1].
По сравнению с полугидратом сульфата кальция, например строительным гипсом, ангидрит реагирует с водой очень медленно и в основном не полностью. Это связано с меньшей растворимостью ангидрита. Несмотря на многолетний положительный опыт применения природного ангидрита, имеется очень мало данных по влиянию отдельных активаторов и их комбинаций на основные свойства смесей. На основании анализа литературных источников [2—14] проведены исследования влияния портландцемента, К^04 и Са(ОН)2 на основные характеристики ангидрита. Установлено, что оптимальной модифицированной добавкой является смесь щелочного активатора в виде портландцемента и сульфатного активатора (сульфата калия), обеспечивающая требуемые сроки начального твердения вяжущего на основе синтетического ангидрита.
Для определения оптимального состава модификатора разрабатываемого ангидритового вяжущего было
использовано математическое планирование эксперимента. Для получения математической модели был принят ортогональный центрально-композиционный план второго порядка. Факторы и уровни планирования эксперимента приведены в табл. 1. В качестве параметров оптимизации приняты: начало схватывания вяжущего, прочность при сжатии в первые и седьмые сутки. Оптимизация состава модификатора по данным характеристикам обусловлена особыми требованиями к вяжущему для получения закладочных смесей:
— начало схватывания не ранее 2 ч (время, необходимое для изготовления закладочной смеси и ее укладки);
— прочность в возрасте 7, 28 и 180 сут в пределах 0,3—3, 0,5—5 и 1—10 МПа соответственно.
В результате проведенного эксперимента получены математические модели (уравнения регрессий) по количеству определяемых характеристик со значимыми коэффициентами при выбранных переменных:
Н.С.=117,52-25,3Х2+6,25Х1Х2-3,7Х12-19,7Х22;
^=3,89-0,45X^0,47X^0,58X^-0,68X2-0,23X1;
R7=16,9-2,07X1-1,08X2-0,25X1X2-2,63X12-2,08X22.
По описанным моделям построены графики (рис. 1, 2). Для начала схватывания вяжущего и его прочности в возрасте 7 сут установлено, что оптимальный состав модификатора ангидритового вяжущего, обеспечивающий соответствие требованиям, предъявляемым к вяжущему для закладочных смесей, содержит ПЦ500Д0 в количестве 2,5% от массы вяжущего и К^04 - 1 %.
научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ £j Li| i. 74 август 2017 ®
Results of scientific research
МПа
МПа
140 120 100 80 60
о
<v
<o
<V
v
U-
60-80
0-100
100-120 120-140
Рис. 1. Зависимость начала схватывания вяжущего от содержания портландцемента и сульфата калия
10-12
12-14 14-16
16-18 18-20
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии вяжущего в возрасте 7 сут от содержания портландцемента и сульфата калия
Рис. 3. Микроструктура образцов: а - ПЦ500Д0 - 2,5%, K2SO4 - 1%, Melment F10 - 0,4%; в - ПЦ500Д0 - 2,5%, г - ПЦ500Д0 - 2,5%, K2SO4 - 1%, Melment F10 - 1%
K2SO4 - 1%; б - ПЦ500Д0 K2SO4 - 1%, Melment F10 ■
2,5%, 0,7%;
Факторы и уровни варьирования
Таблица 1
Факторы Обозначение Уровни варьирования
-1 0 + 1
Содержание портландцемента ПЦ500Д0, % от массы вяжущего Xi 2 3,5 5
Содержание K2SO4, % от массы вяжущего Х2 0,5 1,25 2
Минералогический состав образцов
Состав Содержание минералов, %
CaSÜ4 CaSO4.2H2O Кварц
Цемент (М-500 Д0)2,5% K2SO4 1% 54,2 45 0,8
Цемент (М-500 Д0)2,5%, K2SO4 1%, Melment F10 - 0,7% 40,7 58,6 0,6
Цемент (М-500 Д0) 2,5% K2SO4 1%, Melment F10 - 1% 45,6 53,8 0,6
Цемент (М-500 Д0) 2,5%, K2SO4 1%,Melment F10 - 0,4% 40,8 58,5 0,6
Дальнейшая оптимизация полученного ангидритового вяжущего осуществлялась путем введения пластифицирующей добавки Ме1теП F10 в количестве 0,4—1% от массы вяжущего для снижения водо-вяжущего отношения и, как следствие, повышения физико-механических свойств. В результате проведенных исследований установлено, что введение пластифицирующей добавки позволяет повысить физико-механические свойства вяжущего в следующих пределах:
— водопотребность 28—32%;
— предел прочности при сжатии в возрасте 1 сут — 6,9—13,3 МПа;
— предел прочности при сжатии в возрасте 7 сут — 24—33,5 МПа;
— начало схватывания 120— 225 мин;
— конец схватывания 180— 355 мин;
— коэффициент размягчения 0,6-0,68.
Наилучшие физико-механические свойства (прочность и водостойкость) имело вяжущее с добавкой Melment F10 в количестве 1%. Для детальной оценки полученных вяжущих проведены дополнительные исследования структуры на электронном растровом микроскопе и минералогического состава методом порошковой рентгеновской дифрактометрии. В табл. 2 приведены результаты исследований минералогического состава затвердевших образцов на основе синтетического ангидрита, а на рис. 3 - структуры затвердевших материалов.
Контрольный образец без пластифицирующей добавки (рис. 3, а) характеризуется наименьшей реакционной способностью: содержание двуводного гипса составляет 45%, а содержание непрореагировавшего ангидрита — 54,2%, что обусловливает наименьшие его физико-механические характеристики. При снижении водовяжущего отношения за счет снижения содержания пластификатора до 0,4 и 0,7% реакционная способность вяжущего увеличивается, количество ангидрита снижается до 40,7—40,8%, а двуводного гипса увеличивается до 58,6% соответственно. Такое соотношение минералов приводит к формированию кристаллов сопоставимых размеров (рис. 3, б, в) и, как следствие, к повышению прочности и водостойкости. Наилучшие характеристики модифицированного ангидритового вяжущего обеспечиваются при введении пластифицирующей добавки Melment F10 в количестве 1% за счет оптимального содержания ангидрита и двуводного гипса в количестве 45,6 и 53,8% соответственно. При данном соотношении ангидрита и двуводного гипса формируется наиболее прочная и водостойкая структура с кристаллами различной формы (рис. 3, г), в которой ангидрит выполняет роль армирующего каркаса, а двуводный гипс — связующей матрицы.
Проведенные исследования указывают на широкие возможности применения модифицированного синтетического ангидрита в качестве вяжущего для изготовления смесей для закладки отработанных пространств шахт на рудниках. Его использование дополнительно позволит решить проблему утилизации большого количества серной кислоты — экологически опасного отхода промышленности.
Таблица 2
научно-технический и производственный журнал
август 2017 75
Список литературы
1. Гриневич А.В., Киселев А.А., Кузнецов Е. М., Бурьянов А.Ф., Получение синтетического ангидрита сульфата кальция из концентрированной серной кислоты и молотого известняка // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 16—19.
2. Бурьянов А.Ф., Иваницкий В.В. Свойства и рациональные области применения гипсовых и ангидритовых вяжущих с различной стандартной водопотреб-ностью. Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий: Сборник материалов Всероссийского семинара с Международным участием. Москва, 2002. С. 230—232.
3. Иваницкий В.В., Бурьянов А.Ф. Исследование свойств гипсовых и ангидритовых вяжущих как базового материала для самонивелирующихся стяжек пола. Наука и технология силикатных материалов — настоящее и будущее: Сборник трудов Международной научно-практической конференции. Москва. 2003. С. 317—320.
4. Бурьянов А.Ф., Петраченко В.В. Гипсовые и ангидритовые вяжущие для самонивелирующихся стяжек полов // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2005. № 10. С. 39-43.
5. Бурьянов А.Ф., Петраченко В.В. О гидратации ангидритового вяжущего. Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы четвертой международной конференции. Ростов н/Д. 2006. С. 89-95.
6. Бурьянов А.Ф., Петраченко В.В. Влияние добавок на гидратацию ангидритового вяжущего. Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы четвертой международной конференции. Ростов н/Д. 2006. С. 96-104.
7. Гайнутдинов А.К., Гонтарь Ю.В., Бурьянов А.Ф. Применение ангидритовых и гипсоангидритовых вяжущих для производства сухих строительных смесей. Ч. 1 // Сухие строительные смеси. 2007. № 1. С. 8-9.
8. Бурьянов А.Ф, Гонтарь Ю.В., Чалова А.И. К вопросу использования гипсовых и ангидритовых вяжущих в сухих смесях для устройства оснований полов // Сухие строительные смеси. 2010. № 1. С. 11-13.
9. Маева И.С., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Структурирование ангидритовой матрицы нанодисперсными модифицирующими добавками // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 4-5.
10. Маева И.С., Изряднова О.В., Яковлев Г.И., Бурьянов А.Ф., Фишер Х.-Б. Процессы гидратации ангидритового вяжущего при введении дисперсных минеральных добавок. Проблемы и достижения строительного комплекса «Стройкомплекс-2010»: Материалы Международной научно-технической конференции. Ижевск, 2010. С. 222-225.
11. Гонтарь Ю.В., Чалова А.И., Бурьянов А.Ф. Сухие строительные смеси на основе гипса и ангидрита. М.: Де-Нова, 2010. 214 с.
12. Пустовгар А.П., Василик П.Г., Бурьянов А.Ф. Особенности применения гиперпластификаторов в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 61-64.
13. Бурьянов А.Ф. Модификация структуры и свойств материалов на основе гипса и ангидрита ультра- и на-нодисперсными добавками: Строительные материалы, изделия и санитарная техника. 2011. № 41. С. 91-95.
14. Бурьянов А.Ф. Композиционные материалы на основе гипса и ангидрита, модифицированные ультра-и нанодисперсными добавками. Сборник трудов Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». 2011. Москва. Т. 2. С. 17-21.
References
1. Grinevich A.V., Kiselev A.A., Kuznetsov E.M., Bur'yanov A.F. Production of Synthetic Anhydrite Calcium Sulfate from Concentrated Sulfuric Acid and Flour Limestone. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 16-19. (In Russian).
2. Burianov A.F., Ivanitskiy V.V. Properties and rational ranges of application plaster and anhydrite knitting with various reference water requirement. Increase in production efficiency and use of plaster materials and products: The collection of materials of the All-Russian seminar with the international participation. Moscow. 2002, pp. 230-232. (In Russian).
3. Ivanitskiy V.V., Burianov A.F. Investigation of the properties of gypsum and anhydrite binder as a basic material for self-leveling floor screeds. Science and technology of silicate materials — the present and the future: Collection of works of the International scientific and practical conference. Moscow. 2003, pp. 317-320. (In Russian).
4. Burianov A.F., Petrachenko V.V. Gypsum and anhydrite binders for self-leveling floor screeds. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova. 2004. No. 8, pp. 39-43. (In Russian).
5. Burianov A.F., Petrachenko V.V. Hydration of anhydrite binder. Concrete and reinforced concrete in the third millennium: Materials of the fourth international conference. Rostov-na-Donu. 2006, pp. 89-95. (In Russian).
6. Burianov A.F., Petrachenko V.V. Influence of additives on hydration of anhydrite knitting. Concrete and reinforced concrete in the third millennium: Materials of the fourth international conference. Rostov-na-Donu. 2006, 96-104. (In Russian).
7. Gainutdinov A.K., Gontar' Yu.V., Bur'yanov A.F. Application anhydrite and the gipsoangidritovykh of the dry structural blends knitting for production. Sukhie stroitel'nye smesi. 2007. No. 1, pp. 8-9. (In Russian).
8. Burianov A.F, Gontar Y.V., Chalova A.I. On the use of gypsum and anhydrite binders in dry mixes for the installation of floor bases. Sukhie stroitel'nye smesi. 2010. No. 1, pp. 11-13. (In Russian).
9. Maeva I.S., Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Bur'ya-nov A.F., Pustovgar A.P. Structuring of Anhydrite Matrix with Nanodisperse Modifying Additives. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 6, pp. 4-5. (In Russian).
10. Maeva I.S., Yakovlev G.I., Izryadnova O.V., Buryanov A.F., Fisher H.B. Processes of hydration anhydrite knitting at introduction of dispersible mineral additives. Problems and achievements of a structural complex Stroikompleks-2010: materials of the International scientific and technical conference. Izhevsk. 2010, pp. 222-225. (In Russian).
11. Gontar' Y.V., Chalova A.I., Burianov A.F. Sukhie stroitel'nye smesi na osnove gipsa i angidrita [Dry building mixtures based on gypsum and anhydrite] Moscow: De-Nova. 2010. 214 p.
12. Pustovgar A.P., Vasilik P.G., Bur'yanov A.F. Features of the Use of Hyperplasticizers in Dry Building Mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 61-64. (In Russian).
13. Buryanov A.F. Modification of structure and properties of materials on the basis of plaster and anhydrite ultra-and nanodispersible additives. Stroitel'nye materialy, iz-deliya i sanitarnaya tekhnika. 2011. No. 41, pp. 91-95. (In Russian).
14. Burianov A.F. Composites on the basis of plaster and anhydrite, the modified ultra- and nanodispersible additives. Collection of works of the International scientific conference "Integration, Partnership and Innovations in Structural Science and Education". Moscow. 2011. Vol. 2, pp. 17-21. (In Russian).
Подписано в печать 22.08.2017 Формат 60х881/8 Бумага «Пауэр» Печать офсетная Общий тираж 5000 экз.
Отпечатано в ООО «Полиграфическая компания ЛЕВКО» Москва, ул. Дружинниковская, д. 15
В розницу цена договорная
Набрано и сверстано в РИФ «Стройматериалы»
Верстка Д. Алексеев, Н. Молоканова
