Модифицированные гипсовые безобжиговые композиты Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.914

В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ (victoriapetrop@gmail.com), Т.Б. НОВИЧЕНКОВА, кандидаты техн. наук,

Ю.Ю. ПОЛЕОНОВА, инженер, Тверской государственный технический университет; А.Ф. БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет

Модифицированные гипсовые безобжиговые композиты

Проблема безопасности общества в условиях высокотехнологичной производственной деятельности человека, как показывает практика, требует использования строительных материалов, позволяющих снизить агрессивность воздействий на экосистему в целом и человека в частности. Именно такими материалами, позволяющими обеспечить здоровье и высокое качество жизни в повседневных условиях и снизить техногенное воздействие в критических условиях, являются гипсовые материалы. Особенно привлекательны гипсовые материалы для применения внутри помещений. Высокая стойкость в условиях пожара, отсутствие опасных для жизни человека выделений выгодно отличает их от современных синтетических материалов.

Использование энергоэффективных безобжиговых технологий получения наряду с заменой природного сырья на отходы промышленности повышает востребованность и экономичность гипсовых изделий [1, 2, 3]. К таким отходам в гипсовой отрасли можно отнести отсевы и отходы дробления гипсовой породы, гипсовые отходы в виде отработанных форм для литья фаянсового производства [4, 5, 6], которые практически не используются для получения строительных материалов и изделий. Применение гипсовых отходов для получения изделий позволит не только удешевить получаемую продукцию, но и вовлечь в производство ценное техногенное сырье.

Однако до настоящего времени гипсовые материалы имели ограниченную сферу применения. Получение модифицированных композиций на основе двуводного гипса повышенной водостойкости с сохранением всех достоинств гипсовых материалов может позволить повысить производительность труда и снизить стоимость строительства [7, 8].

В целях повышения эксплуатационных характеристик безобжиговых композитов на основе двуводного гипса в работе исследовалось влияние добавок шлако-портландцемента, поликарбоксилата и микрокальцита

I 30

и

о

25

20

15

Содержание ШПЦ, %

9 0,06

В/Т

15-20 20-25 25-30

на свойства гипсового прессованного композиционного материала.

В работе применялся двуводный техногенный гипс — отработанные формы Конаковского фаянсового завода Тверской области в виде бинарных смесей порошков тонкого и грубого помола по ГОСТ 125—79 ** (содержание дигидрата сульфата кальция CaSO4•2H2O в составе отхода — 98,54%). Перемешивание при приготовлении бинарных сырьевых смесей производилось вручную.

Ввиду того что введение цемента в состав гипсовых изделий требует дополнительных мер по предотвращению образования высокоосновного гидросульфоалю-мината кальция, деформирующего и разрушающего структуру получаемого материала при твердении, в качестве модифицирующей добавки использовалась комплексная добавка на основе шлакопортландцемента ШПЦ 300 (ГОСТ 10178-85; ГОСТ 30515-97) производства ОАО «Магнитогорский цементно-огнеупорный завод» и поликарбоксилата (ТУ 5743-001-1111494032003). Содержание добавки ШПЦ варьировалось от 5 до 9%. Органическая добавка вводилась в состав сырьевой смеси в сухом виде в количестве 5% от массы шлако-портландцемента. Перемешивание смесей с добавками также производилось вручную.

В исследованиях использовалась добавка микрокальцита марки URALCARB 5 — отходы молотого мрамора (содержание карбоната кальция кристаллического СаС03 — 97%) ООО «Белый мрамор» Челябинской области (ТУ 5716-002-56393945-2005). Средний размер частиц в составе порошка микрокальцита 5 мкм, удельная поверхность порошка 2100-2200 м2/кг. Содержание добавки микрокальцита находится в пределах 0-20%. Зерновой состав порошков оценивали по результатам

2050 2025 2000 § 1975 § 1950 Ц 1925

1900 5

5,5

6

6,5

Содержание ШПЦ, % 1900-1925 1925-1940 1950-1975

9 0,06 1975-2000 2000-2025

В/Т

2025-2050

Рис. 1. Зависимость прочности гипсовых композитов от процентного содержания комплексной добавки шлакопортландцемента, поликар-боксилата и водотвердого отношения

Рис. 2. Зависимость средней плотности гипсовых композитов от содержания комплексной добавки шлакопортландцемента, поликар-боксилата и водотвердого отношения

научно-технический и производственный журнал ^'/РО^Г/^/]^})^^ "76 май 2013 ЬШУЩ|С'

2050 2000 1950 1900 1850 1800 1750,

0,14

45

40

35

30

25

20

15,

Содержание микрокальцита, % ^д 0 06

•1750-1800 1800-1850 1850-1900 1900-1950 1950-2000 2000-2050

Рис. 3. Зависимость средней плотности гипсовых композитов от содержания добавки микрокальцита и водотвердого отношения

Содержание микрокальцита, % 20 0 06

15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 45-50

Рис. 4. Зависимость прочности гипсовых композитов от процентного содержания микрокальцита и водотвердого отношения

дисперсионного анализа с помощью лазерного анализатора типа Fritsch Particle Sizer 'analysette 22'. Среднюю плотность и прочность прессованных гипсовых образцов-цилиндров, полученных методом полусухого прессования на лабораторном гидравлическом прессе и выдержанных 14 сут во влажных условиях, оценивали по ГОСТу. Структурные особенности прессованного композита оценивались методом электронной микроскопии с помощью сканирующего микроскопа Са^сап 4.

Исследованиями влияния комплексной добавки шлакопортландцемента и поликарбоксилата на прочность прессованного материала установлено, что с увеличением процентного содержания добавки при постоянных значениях В/Т прочность структуры модифицированного композита повышается.

При повышении содержания ШПЦ в составе смеси средняя плотность прессованного композита повышается (рис. 2) за счет увеличения содержания в его составе компонента с большей истинной плотностью (ршпц=2900 кг/м3>ргип=2400 кг/м3). Одновременно при повышении процентного содержания ШПЦ средняя плотность структуры композита повышается в процессе гидратации цемента за счет присутствия химически связанной воды и превращения ее в составе новообразований в псевдотвердую фазу. Для дальнейших исследований использовался состав сырьевой смеси с содержанием ШПЦ в количестве 9%.

Результаты проведенных исследований влияния минерального модификатора на свойства композита показывают (рис. 3, 5), что введение микрокальцита в состав сырьевой смеси позволяет снизить плотность прессованного материала. Введение высокодисперсного микрокальцита способствует снижению плотности упаковки частиц в дисперсной системе дигидрата сульфата

кальция за счет наличия сил трения между частицами, а суммарная площадь контактов в таких системах увеличивается с повышением дисперсности частиц, что и приводит к уменьшению средней плотности получаемых композитов. С другой стороны, увеличение количества контактов между частицами в единице объема способствует повышению прочности структуры композита (рис. 4).

Варьирование обоих факторов позволяет получить оптимальный состав прессованного композита. Оптимизация по величине прочности показывает, что при 10% содержании микрокальцита в составе сырьевой смеси безобжигового композита достигается наибольшая прочность. Введение карбоната кальция в сырьевую смесь дигидрата сульфата кальция позволяет получать более водостойкую структуру композита за счет хе-мосорбционного взаимодействия частиц наноразмера и уменьшения пористости за счет кольматации крупных пор в структуре гипса коллоидно-дисперсными частицами микрокальцита.

Характер зависимости средней плотности и прочности композита от водотвердого отношения подобен. При содержании минеральной добавки в диапазоне 10—20% максимальные значения параметров в исследованном диапазоне соответствуют водотвердому отношению 0,14. Возможно повышение прочности и плотности композита при увеличении водной прослойки в составе прессованного материала, что требует дополнительных исследований.

Полученный материал обладает повышенной водостойкостью — 0,75, что достигается при содержании добавки микрокальцита 10%, это позволяет использовать безобжиговый композит в качестве облицовочного материала.

1950

52 1900

о X 1850

о

с 1800

ГС

ф 1750

о 1700

■ Двуводный гипс без добавок

■ С добавлением ШПЦ и ГП

■ С добавлением ШПЦ, ГП и микрокальцита

Рис. 5. Сравнительные характеристики средней плотности прессованного композита в зависимости от состава сырьевой смеси

Рис. 6. Микроструктура прессованного гипсового композита с модифицирующей комплексной добавкой (х1000)

rj научно-технический и производственный журнал

® май 2013 77

Максимум прочности безобжигового гипсового композита в возрасте 14 сут - 38 МПа, однако материал может иметь дополнительный прирост прочности к 28 сут твердения.

Электронно-микроскопические исследования структуры прессованных образцов свидетельствуют об образовании контактов срастания между кристаллами двуводного гипса и уплотнением образующейся структуры за счет гидратации цемента (рис. 6).

Таким образом установлено, что введение модификаторов в состав прессованного энергоэффективного композита позволяет повысить его прочность и водостойкость. Увеличение содержания добавки микрокальцита от 0 до 10% обеспечивает повышение прочности на 50%.

Комплексная модифицирующая добавка в составе ШПЦ, микрокальцита и поликарбоксилата повышает прочность и водостойкость материала, одновременно снижая его плотность (рис. 5), что отвечает требованиям потребителя.

Высокие физико-механические характеристики композита обеспечивают его применение в производстве строительных изделий для индустриального и жилищного строительства, а также для объектов соцкуль-тбыта, к которым предъявляются повышенные требования по пожарной и экологической безопасности.

Безобжиговые гипсовые композиты на основе модифицированной сырьевой смеси могут обеспечить строительную индустрию энергоэффективными материалами с высокими эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: двуводный гипс, прессование, модифицирование, молотый мрамор, структура композита, прочность, плотность.

Список литературы

1. Белов В.В., Бурьянов А. Ф, Петропавловская В.Б. Современные эффективные гипсовые вяжущие, материалы и изделия. Тверь: Издательство ТГТУ, 2007. 132 с.

2. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратаци-онного твердения // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 22-23.

3. Петропавловская В.Б., БеловВ.В., Новиченкова Т.Б. Регулирование свойств безобжиговых гипсовых материалов // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 14-15.

4. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Бурьянов А.Ф. Твердеющие кристаллизационные системы на основе порошков двуводного гипса // Строительные материалы. 2007. № 12. С. 46-47.

5. Белов В.В., Бурьянов А.Ф., Яковлев Г.И., Петропавловская В.Б., ФишерХ.-Б, МаеваИ.С., Новиченкова Т.Б. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция // М.: Де Нова, 2012. 196 с.

6. Петропавловская В.Б., Белов В.В., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Полеонова Ю.Ю. Использование отходов природного гипсового камня в производстве безобжиговых материалов // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 28-30.

7. Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Войтович Е.В. Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 5-9.

8. Колкатаева Н.А., Гаркави М.С. Влияние стирол-акрилатной эмульсии на эксплуатационные свойства гипсовых материалов // Строительные материалы. 2007. № 9. С. 50-51.

6-8 АВГУСТА Челябинск

СТРОИТЕЛЬСТВО

2013 ВЫСТАВКА-ФОРУМ

Выставка-форум «Строи тел ьство-2013» продемонстрирует достижения всех участников строительного процесса -от научных разработок до их внедрения, от проектных решений, производства строительных материалов до готовых объектов.

РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ:

- Современные технологии в строительстве

- Строительные конструкции, изделия • Промышленное строительство

- Малоэтажное строительство

■ Строительные материалы и оборудование для их производства

- Строительные комплексы, машины и механизмы

■ Наука в строительстве

- Вентиляция, кондиционирование

- Инженерные сети: водо-, тепло-, газо-, электроснабжение

- Оборудование зданий и сооружений

- Строительно-дорожная техника

- Экология в строительстве

- Автоматизация в строительстве и эксплуатации жилья

- Инвестиционные и инновационные проекты

В РАМКАХ ВЫСТАВКИ: КРУГЛЫЕ СТОЛЫ, КОНФЕРЕНЦИИ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ ОТРАСЛИ

ТОРЖЕСТВЕННЫЙ ПРИЕМ В ЧЕСТЬ ДНЯ СТРОИТЕЛЯ

ДС "Юность", Свердловский пр., 51 Тел.: (351) 215-88-77 www.pvo74.ru

научно-технический и производственный журнал Q'/PCJM'J'.SJ.Iii.rlbJ^ ~78 май 2013 ЬшУЩ|с'