Модифицированные гипсовые вяжущие повышенной водостойкости и гипсокерамзито-бетонные стеновые блоки для малоэтажного жилищного строительства на их основе Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 666.914

В.В. БАБКОВ, В.М. ЛАТЫПОВ, доктора техн. наук, Л.Н. ЛОМАКИНА,

канд. техн. наук, В.С. АСЯНОВА, инженер, Уфимский государственный нефтяной

технический университет; Р.И. ШИГАПОВ, инженер, ООО «Уфимская гипсовая компания»

Модифицированные гипсовые вяжущие повышенной водостойкости и гипсокерамзито-бетонные стеновые блоки для малоэтажного жилищного строительства на их основе

В последние годы особое внимание уделяется такому направлению строительной отрасли, как малоэтажное строительство. Это быстроразвивающееся направление требует разработки и внедрения новых строительных технологий, а также строительных материалов, которые могли бы отвечать высоким требованиям по долговечности, энергоэффективности и экологичности и при этом обладать невысокой стоимостью. Одним из наиболее перспективных строительных материалов, который мог бы удовлетворить всем вышеперечисленным требованиям, является гипс. Это объясняется тем, что изделия на его основе отвечают всем современным требованиям по огнестойкости, звукопоглощению, экологической безопасности и энергосбережению на всех этапах жизненного цикла, начиная от добычи сырья и заканчивая утилизацией, а также наличием хорошей сырьевой базы. Запасы гипса в Российской Федерации практически неисчерпаемы, только в Республике Башкортостан на три разведанных месторождениях они составляют свыше 400 млн т.

В Республике Башкортостан наработан достаточно большой опыт организации производства и использования гипсовых вяжущих начиная с периода Великой Отечественной войны. В г. Стерлитамаке в 1942 г. было пущено производство так называемого демпферного (а-полуводного) гипса. Производство было организовано Ф.Т. Садовским и А.С. Шкляром. В качестве сырья использовался гипсовый камень месторождения Под-лесное с содержанием гипса свыше 90%.

За период 1942—1950 гг. изделия и конструкции из демпферного гипса и материалов на его основе были ис-

Рис. 1. Производство гипсокерамзитобетонных стеновых блоков на заводе ООО «Уфимская гипсовая компания»

пользованы при возведении в г. Стерлитамаке более 115 малоэтажных жилых домов, около 30 из которых эксплуатируются до настоящего времени. Остальные дома были снесены в 60-70-х гг. как попавшие в санитарную зону. Сохранившиеся здания весьма разнообразны по планировке и архитектуре. Структура этих домов включает широкий ассортимент гипсовых конструкций и изделий: гипсожеле-зобетонные плиты перекрытий, балки и перемычки, колонны, гипсошлаковые стеновые блоки, гипсобетонные и гипсожелезобетонные архитектурно-строительные детали (подоконные доски, карнизные блоки, розетки, плафоны и др.). Шлакогипсовые и гипсобетонные блоки были офактурены так, что здания не требовали наружной отделки. Лишь в 1960—1965 гг. жилые дома были оштукатурены.

Наряду со шлакогипсоблочными домами строились полносборные двухэтажные дома, основу конструкции которых составлял каркас с колоннами из гипсобетон-ных блоков. Между колоннами в два ряда монтировались гипсовые плиты, а пазухи засыпались шлаком. Для увеличения жесткости отверстия в блоках по мере возведения колонн заливались гипсобетоном. Перекрытие двухскатное бесчердачное выполнялось из сборных гип-сожелезобетонных балок пролетом 3,3 м, опиравшихся на сборные прогоны сечением 200x400 мм. Простота и легкость отдельных элементов и конструкций позволяли собирать стены и перекрытия такого дома за 24 ч.

Проведенные институтом НИИПромстрой (ныне БашНИИстрой) в 1980-х гг. натурные обследования этих домов показали, что несмотря на многолетнее воздействие атмосферной влаги (среднегодовая относи-

1М1кМШШ& 1 L»L

Рис. 2. Структура гипсокерамзитобетона в стеновом блоке

% 10

I 7

17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7

И 6

с 5 4 3 2 1 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Возраст, сут

Серия 1

0# - состав 1 (Г-75%, ПЦ-15%; КП-10%) О - образцы высушенные, # - образцы водонасыщенные

да - состав 2 (Г-65%, ПЦ-20%; КП-15%) Д - образцы высушенные, ▲ - образцы водонасыщенные

□И - состав 3 (Г-50%, ПЦ-25%; КП1-25%) □ - образцы высушенные, ■- образцы водонасыщенные

Коэффициент размягчения Кр, серия 1, составы 1, 2, 3

Состав 1 Состав 2 Состав 3 Возраст 13 сут 0,5 0,6 0,57

29 сут 0,57 0,55 0,54 90 сут 0,74 0,62 0,73

Рис. 3. Пример зависимостей прочности образцов-балочек ГЦПВ 4x4x16 см на сжатие от длительности хранения в нормально-влажностных условиях (серия 1, составы 1, 2, 3).

тельная влажность воздуха в районе строительства 75%), осадков и переменных температур, ограждающие и большинство несущих конструкций находились в хорошем состоянии и не потеряли своих эксплуатационных качеств. Испытания образцов гипсобетона на разных заполнителях, выпиленных из деталей и конструкций, показали прочность на сжатие в пределах 6—13 МПа.

Описанный выше опыт показал, что при изоляции от грунтовых вод и несложной защите наружных поверхностей от увлажнения здания из конструкций на гипсовом вяжущем (а-полуводный гипс) могут быть долговечными и надежными в эксплуатации свыше 50 лет [1].

Аналогичное строительство малоэтажных жилых домов в послевоенные годы (до 1956 г.) велось в г. Уфа (кварталы одно-двухэтажных домов по улице Вишер-ской, эксплуатирующихся по настоящее время при хорошем состоянии наружных стен из гипсовых бетонных блоков под штукатуркой).

В 2000 г. ООО «Уфимская гипсовая компания» освоила технологию производства строительного гипса марок Г5—Г6 с использованием вращающихся обжиговых печей. Затем в 2006—2007 гг. была запущена линия по производству пазогребневых перегородочных плит, а в 2009—2010 гг. компания приступила к освоению собственного карьера Кальтовка, с содержанием в гипсовом камне 92—93% гипса. В 2010 г. в ООО «Уфимская гипсовая компания» была реализована технология по производству стеновых гипсо-керамзитовых блоков на основе строительного гипса и керамзитового гравия М400 по средней плотности (рис. 1). Коэффициент теплопроводности этих изделий составил около 0,18-0,2 Вт/(м-°С), плотность 700-800 кг/м3, марочная прочность М25. Стеновые блоки прошли сертифи-

кацию в лаборатории «БашНИИстрой» и соответствуют требованиям ТУ 5741-002-52983495-2010. На их основе в поселке Ново-Иглино было возведено несколько десятков малоэтажных жилых домов с различными архитектурными решениями — одно- и двухэтажные дома общей площадью от 91 до 210 м2. Фундамент зданий представлен буронабивными сваями. Кладка гипсоке-рамзитовых стеновых блоков выполнена на гипсовом клее толщиной 2-3 мм с последующим нанесением на фасад гидрофобизирующей системы.

Результаты натурных обследований этих домов, проведенных в 2010—2011 гг., не выявили в конструкциях домов негативных физико-механических изменений (рис. 2). С 2011 по 2012 гг. эти дома были заселены жильцами, по отзывам которых дома оказались теплыми, комфортными, обладающими хорошим микроклиматом. Но, как и любому новому продукту, гипсокерамзи-товым блокам понадобилась доработка.

Как известно, обычный строительный гипс обладает рядом недостатков, которые значительно ограничивают область его применения. К их числу относятся низкие показатели по водостойкости и морозостойкости, не позволяющие обеспечить необходимую долговечность наружных конструкций. Однако строительный гипс может быть модифицирован с целью повышения водостойкости и прочности изделий на его основе по двум вариантам смешанных вяжущих: гипсоцементно-пуццолановому (ГЦПВ) и гипсоизвестково-шлаковому (ГИШВ).

В первом варианте водостойкость и прочность повышаются за счет формирования при твердении продуктов гидратации портландцемента (ПЦ) и связывания значительной части гидроокиси кальция - продукта гидратации силикатных фаз ПЦ в низкоосновные гидросиликаты кальция С-Б-И(!). Фаза С-Б-И вносит вклад в повышение прочности и обеспечение достаточной водостойкости изделий на основе ГЦПВ, решая задачу получения полноценных изделий для наружных стен.

Такое вяжущее сохраняет также важное свойство чисто гипсовых вяжущих - быстрый набор первоначальной прочности, достаточной для раннего распалублива-ния (съема) изделий через 1—2 часа естественного твердения. Вяжущее будет упрочняться во времени и улучшать водостойкость изделий до уровня по коэффициенту размягчения 0,55—0,7.

Важнейшей составляющей ГЦПВ является пуццолано-вая добавка. Как известно, сочетание гипсовых вяжущих с портландцементом обусловливает разупрочнение или разрушение твердеющей структуры со временем вследствие образования трехсульфатной формы гидросульфоалюми-ната кальция (эттрингита) при взаимодействии высокоосновных гидроалюминатов кальция и сульфатов кальция. Эта реакция опасна на стадии твердения, когда уже сформировалась жесткость и прочность структуры, так как образование эттрингита происходит со значительным увеличением объема твердой фазы в 2—3 раза [2—5].

Введение пуццолановой добавки приводит к снижению концентрации гидросиликата кальция в водной среде до такого уровня, при котором нарушаются условия стабильного существования высокоосновных гидроалюминатов кальция (С4АИ13, С3АИ6) и создаются предпосылки к переходу их в более устойчивые низкоосновные гидроалюминаты (С/А=1...2). Химизм процессов гидратации и структурообразования при твердении ГЦПВ может быть описан по следующей схеме: Са804.0,5И20 + ПЦ (С3Б, в-С2Б, С3А .) + 8Ю2акг.+ И20 = ... , при этом отдельные этапы гидратации полиминерального вяжущего выглядят и реализуются в следующей последовательности:

1.

Са804.0,5И20+1,5И20-

2. С3Б, в-С2Б, С3А + СБ +

С3А.3СаБ04

31И20

СаБ04.2И20. .. + И20- -

►С-Б-И(!) + СИ +

Г; научно-технический и производственный журнал

М ® июль 2012

3. СН + 8Ю2акг.—С-8-Н(1) (низкоосновные гидросиликаты кальция).

4. В силу (3) не стимулируется образование высокоосновных гидроалюминатов кальция С4АН19, С4АН13, С3АН6, а реализуется образование низкоосновных гидроалюминатов САН1П, С2АН8.

5. Создаются термодинамические условия перекристаллизации образовавшегося на стадии (2) эттрин-гита в моносульфат С3А-ЗСа804 • 31Н20 — С3АСа804 12Н20 + Са804-2Н20 + Н20, что обусловливает снижение объема твердой фазы в 1,55 раза (по гидросульфоа-люминатной фазе), снижает внутренние напряжения и исключает разупрочнение во времени.

6. Происходит быстрый набор прочности при твердении в естественных условиях за счет процесса (1) и длительное упрочнение и формирование водостойкости и прочности структуры за счет реализации процессов (2), (3), (4), (5). Исследованиями А.В. Волжен-

ского, Р.В. Иванниковой, В.И. Стам-булко, АВ. Ферронской, Ф.Ф. Алкс-ниса [2, 5] показано, что названные выше благоприятные условия обеспечивают составы ГЦПВ в диапазоне соотношений основных компонентов полуводный гипс (Г) : цемент (Ц) : пуццо-лановая добавка (П) (мас. %):

1. Г : Ц : П - 0,75 : 0,15 : 0,1.

2. Г : Ц : П - 0,65 : 0,2 : 0,15.

3. Г : Ц : П - 0,5 : 0,25 : 0,25.

В 2011 г. на базе лаборатории кафедры «Строительные конструкции» Уфимского государственного нефтяного технического университета были разработаны составы гипсоцементно-пуццолановых вяжущих на основе материалов, производимых на заводе ООО «Уфимская гипсовая компания», в условиях которого в качестве пуццо-лановой добавки была использована керамзитовая пыль и молотый керамзитовый песок, являющиеся отходами производства керамзитового гравия на данном предприятии.

В ходе работ было испытано сырье, подобраны оптимальные составы, исследована серия соотношений компонентов Г : Ц : КП при водовяжущем отношении около 0,6.

В результате длительных физико-механических испытаний составов ГЦПВ на основе строительного гипса марки Г5, бездобавочного портландцемента и нескольких вариантов керамзитовой пыли, включающих пыль с 1-х циклонов КП1 (не полностью обожженную), 2-х циклонов КП2 и со склада готовой продукции КП3 (полностью обожженную), а также керамзитовую пыль, подвергнут механической активации КП5, был выбран наиболее оптимальный состав с соотношением компонентов, обеспечиваю-

щим максимальное использование гипсового вяжущего (75% в составе смешанного) с достижением марочной прочности на сжатие М100 (Г10) для равновесной влажности 2—3 % в двухнедельном возрасте, достаточно высокую водостойкость (0,6 и выше по коэффициенту размягчения), а так же исключающий вероятность разупрочнения бетона на его основе в цикле длительной эксплуатации жилого дома (рис. 3).

В обоснование вышеприведенных выводов были проведены исследования микроструктуры ГЦПВ и его исходных компонентов с использованием растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6610LV с энергодисперсионным спектрометром «Oxford Inca Energy», а также с использованием рентгеновского дифрактометра D2 PHASER, которые подтвердили данные физико-механических испытаний, эффективность применения керамзитовой пыли в качестве пуццо-лановой добавки, а также позволили уточнить стадийность структурообра-зования ГЦПВ, изложенную выше (рис. 4). Микроанализ структуры и поэлементный химический анализ показали, что основными кристаллическими новообразованиями являются дву-водный гипс, карбонат кальция (кальцит), эттрингит и низкоосновные гидросиликаты кальция состава CSH(I). Содержание в образцах указанных новообразований колеблется в

в ноар&сте 2Всут

зависимости от состава исходного вяжущего и длительности твердения. Количество гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, в частности, возрастает с увеличением содержания кремнеземистой добавки в вяжущем. Рентгенофазовый анализ показал, что в образце ГЦПВ с добавлением КП5 содержится наибольшее количество аморфного кремнезема, чем с КП1 и КП2. Механоактивированная керамзитовая пыль (КП5) проявила себя существенно более активным компонентом, чем керамзитовая пыль, включающая 5-6 % сырой глины тонкого помола (КП1), и керамзитовая пыль, полностью обожженная в печи при 1=1000°С (КП2).

Далее испытаниям подверглись готовые стеновые изделия, изготовленные в производственных условиях на формовочной машине ООО «Уфимская гипсовая компания», -гипсокерамзитовые блоки на основе ГЦПВ рекомендованного состава, а также в сравнительных целях образцы на немодифицированном вяжущем -строительном гипсе марки Г5. Результаты испытаний по теплопроводности, морозостойкости и водостойкости, представленые на рис. 5-6, показывают, что блоки на основе ГЦПВ соответствуют марке по морозостойкости не ниже Б25, что соответствует требованиям для изделий на водостойких гипсовых вяжущих, используемых в наружных стенах жилых

в воэраш е 7 сут

в возрасте 14 су г

^ WdrlLSfi^tmilM CdSQrDLSHfl - йриажагяихкиЕ

лрнзнатнчкуне кристалла кристаллы

¿ ЭСл0-А]*МСа5йгЭ1Нг0^гт|чнигл1' 4 ДООДДОСШь-МНЛЭПРШГИЧ

игольчатой фолт - игольчатой фермы

^ CaOüvfкальцит)- роибоздры / CjS Н2 - Лл гов разкап waci а

^ ÍLi( H^ílJj ■■ гк|..: ::i,. iiii.id iui.il i ш ки

S CSHll I Л111 IK'ILII С IJI! K|J||[ T.llüll ¿

rJ- -- Г j — Ti

J CjSOU-OjEI IJO — iipnjwdr№*H»ie

циститы S 3 Q 0 •ti&fZCXQ.'l 1НаС(»ГТ11иЛ(1) »-игольчатой формы tjiHi- гвлеобраанаяилга ("L^Hm";); : i -ri 11: l mi j . ■ i i;i. и i г -ьи J R H-| гатшыс i iua ipiu r.irnj * 3CíOAl|Orta5Ci,:líH¿0

Рис. 4. Результаты исследования микроструктуры ГЦПВ

А

У \ >

£

¡.а? \

0.Ш

0.86 __ О.Й75

А5

н

Циклы

- Гилоищимипийе то« ли «омущем гипв КП1

- Гипсокгром >итобегтюннп вяжущем ГЦПй КШ

Гипсокесам штабе тон но внмущем ГцПВ

-Гапеокерямя.уто^яч^ на тицЦифи^Моииом (тсошпеяьиом гипсе маски Г5

Рис. 5. Результаты испытаний гипсокерамзитобетона на модифицированном вяжущем по морозостойкости

Рис. 6. Результаты испытаний гипсокерамзитобетона на модифицированном вяжущем по водостойкости

Рис. 7. Возведение жилого дома

домов. Марка по морозостойкости гипсокерамзитобетон-ного блока на основе немодифицированного строительного гипса оказалась ниже Б15, что коррелируется с низкой 1. водостойкостью данных вяжущих и изделий на их основе. Значения коэффициента теплопроводности составили 0,237—0,244 Вт/(м.°С), что коррелируется со средней плотностью материала.

Таким образом, гипсокерамзитобетонные блоки на 2. основе ГЦПВ по совокупности характеристик (марочная прочность на сжатие, водостойкость, показатели теплопроводности и морозостойкости) являются изделиями, пригодными для применения в наружных сте- 3. нах малоэтажных жилых домов при толщине стены 400—600 мм. Такая наружная стена может эксплуатиро- 4. ваться без дополнительной защиты фасада.

Исследованные составы ГЦПВ и гипсокерамзитобе-тонных блоков на их основе в настоящее время исполь- 5. зуются в строительстве жилых домов в поселке Ново-Иглино в Республике Башкортостан (рис. 7, 8).

Рис. 8. Общий вид поселка Ново-Иглино (Республика Башкортостан)

Список литературы

Бабков В.В., Недосеко И.В., Мирсаев Р.Н. Опыт производства и применения гипсовых вяжущих в Республике Башкортостан. Труды II Всероссийской конференции «Гипс и его применение». Уфа, 2003 г. С. 196-200.

Волженский А.В., Коган Г.С., Арбузов Н.Г. Гипсо-бетонные панели для перегородок и внутренней облицовки наружных стен. М.: Госиздат по строительным материалам, 1955. 185 с. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1986. 464 с.

Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1980. 472 с.

Алкснис Ф. Ф. Твердение идеструкция гипсоцементных композиционных материалов. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1988. 103 с.

® июль 2012

7