CC BY
6
УДК 666.9; 691.5
Пламадяла В.В., Потапова Е.Н.
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СМЕСИ НА ОСНОВЕ ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВОГО ВЯЖУЩЕГО
Пламадяла Виктория Викторовна, студентка 4 курса бакалавриата факультета неорганических веществ и высокотемпературных материалов; e-mail: vip.vika3000@m ail.ru
Потапова Екатерина Николаевна, д.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И Менделеева, Москва, Россия.
Данная статья затрагивает актуальность применения гипсоцементно-пуццоланового вяжущего, модифицированного комплексом функциональных добавок, при производстве сухих материалов. Получено гипсоцементно-пуццолановое вяжущее на основе портландцемента, гипсового вяжущего и активной минеральной добавки - метакаолин. Методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента определены оптимальные концентрации добавок Проведены прочностные испытания в возрасте 28 суток на сжатие и изгиб.
Ключевые слова: гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, модифицирующие добавки, оптимизация состава, прочность.
OPTIMIZATION OF MIXTURE COMPOSITION ON THE BASIS GYPSUM-CEMENT-POZZOLAN BINDER
Plamadyala Victoria Viktorovna, Potapova Ekaterina Nikolaevna
D. I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology, Moscow, Russia.
This article touches upon the relevance of the use of gypsum-cement-pozzolanic binder, modified with a complex of functional additives, in the production of dry materials. A gypsum-cement-pozzolanic binder was obtained on the basis of Portland cement, a gypsum binder and an active mineral additive - metakaolin. The optimal concentration of additives was determined by the method of simplex-lattice planning of the experiment. Strength tests were carried out at the age of 28 days for compression and bending.
Keywords: gypsum-cement-pozzolan binder, modifying additives, composition optimization, strength.
Строительные смеси, в основе которых лежат гипсовые вяжущие с каждым днём находят всё большее применение в штукатурных работах, при производстве панелей для перегородок и получения гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ).
В современном мире с каждым днём набирает популярность водостойкий гипсовый материал -гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, получаемое путём смешивания гипсового вяжущего (50-70%), цемента (15-25%) и кислой активной минеральной добавки (АМД) (10-25%). Соотношение между количеством цемента и АМД определяется по специальной методике, указанной в [1]. Активная пуццолановая добавка обеспечивает стабильность затвердевшего камня, связывает гидроксид кальция в гидросиликаты кальция, тем самым увеличивая прочность и водостойкость.
Характеристики гипсоцементно-пуццоланового вяжущего зависят как от соотношения входящих в него компонентов, так и от используемых модифицирующих функциональных добавок, введением которых можно регулировать его свойства. Добавки, которые регулируют основные строительно-технические свойства цемента, указаны в стандарте ГОСТ 24640-91 [2].
В работе были использованы гипсовое вяжущее производства ООО «Русгипс» марки Г-5 (II), портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ООО
«ХайдельбергЦемент Рус», активная минеральная добавка метакаолин ООО «МетаРус». Для модифицирования состава и структуры гипсоцементно-пуццоланового вяжущего были взяты гиперпластификатор МеШих 5581 (ГП), редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas ЬЬ 5999/2 (РПП), эфир целлюлозы Месе1к^е 7117 (ЭЦ). Состав ГЦПВ был подобран по методике ТУ 2131-62-89 [3], благодаря которому было разработано вяжущее (табл.1).
Таблица 1. Состав гипсоцементно-пуццоланового
вяжущего
Наименование материала Гипсово е вяжущее Портландцемен т Метакаоли н
Содержани е в составе ГЦПВ, масс. % 57,2 35,7 7,1
С целью сокращения количества экспериментов для поиска оптимального состава гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с функциональными добавками было использовано симплекс-решетчатое планирование эксперимента.
Варианты составов гипсоцементно-
пуццоланового вяжущего с комплексом добавок представлены в таблице 2.
Важной характеристикой любого вяжущего является нормальная густота, которая определяет удобоукладываемость теста, с одной стороны. С другой стороны, дополнительно введенная в систему вода обусловливает повышенную пористость затвердевшего вяжущего и снижение его прочности.
Таблица 2. Составы гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с комплексом функциональных добавок_
Составы ГЦПВ, содержание добавок мас.%
1 2 3 4 5 6 7
ГП 0,3 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,17
РПП 0,3 0,7 0,3 0,5 0,5 0,3 0,43
ЭЦ 0,1 0,1 0,5 0,1 0,3 0,3 0,23
Поэтому на практике стремятся понизить количество воды затворения, что можно достигнуть путем применения водоредуцирующих добавок. Современные водоредуцирующие добавки -гиперпластификаторы, снижая водопотребность на 20-40 %, увеличивают подвижность строительного теста, что приводит к повышению прочности, плотности и однородности затвердевшего цементного камня. При этом механизм действия гиперпластификатора основан на электростатическом отталкивании и стерическом (пространственном) эффекте, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекул поликарбоксилатного эфира [4].
Для получения плотной структуры используют редиспергируемый полимерный порошок, который после перемешивания с водой образует водяную дисперсионную систему со всеми присущими им характеристиками и функциями полимерных вяжущих веществ. Коллоидный полимер - это латекс. В коллоидном латексе частицы полимера равномерно распределены в смеси; при твердении происходит испарение воды, и наблюдается сближение частиц
Сроки схватывания чистого гипсоцементно-пуццоланового вяжущего очень короткие: начало - 1 мин и конец - 1,5 мин. С добавлением комплекса модифицирующих добавок сроки схватывания всех составов ГЦПВ незначительно увеличились относительно бездобавочного состава. Благодаря органической добавке - эфиру целлюлозы, увеличилась живучесть растворной смеси и время конца схватывания с 1,5 до 5 мин.
РПП. При дальнейшем удалении воды частицы сближаются ещё сильнее, наблюдается плотная упаковка или деформация частиц. На завершающем этапе образуется полимерная пленка, склеивающая вместе частицы гидратных новообразований, не прореагировавших вяжущих и наполнителя. Это усиливает структуру строительной растворной смеси и обеспечивает адгезию на поверхности раздела строительной смеси и основания [4].
И еще одна функциональная добавка, без которой сложно удержать воду в твердеющей системе - это эфир целлюлозы. Водоудерживающая добавка повышает водоудерживающие свойства растворной смеси до 98 %. При этом происходит повышение адгезии растворной смеси, придание ей тиксотропных свойств. Одновременно с этим наблюдается замедление скорости гидратации вяжущего за счет образования сольватных или гидратных оболочек вокруг молекул эфира целлюлозы, что приводит к резкому увеличению вязкости водных растворов и снижению их подвижности. Происходит образование пленок на границе раздела раствор - воздух или раствор - подложка, препятствующих испарению воды.
Таким образом, для получения качественного вяжущего необходимо применять указанные добавки одновременно, что и вызывает необходимость определения оптимального соотношения между ними.
Нормальная густота (НГ) ГЦПВ без добавок составила 45,0 % (таблица 3). Введение функциональных добавок приводит к снижению значений НГ, за исключением состава 3, содержавшего 0,5 % эфира целлюлозы. Можно предположить, что составы с меньшим количеством воды затворения будут характеризоваться пониженной пористостью и повышенной прочностью затвердевшего камня.
Испытания образцов на прочность при изгибе и сжатии проводили в возрасте 1, 3, 7, 14, 21 и 28 сут (рисунок 1). Наибольшую прочность в возрасте 28 сут, как при изгибе (15,3 МПа), так и при сжатии (29,2 МПа), показал состав 1, это связано со значительным количеством гиперпластификатора и
редиспергируемого полимерного порошка (по 0,3%), и одновременно с наименьшим количеством водоудерживающей добавки - эфира целлюлозы.
Таблица 3.. Влияние функциональных добавок на свойства гипсоцементно-пуццоланового^ вяжущего
Составы ГЦПВ Нормальная густота, % Сроки схватывания, мин Пористость, % Водостойкость, Кр
начало конец
Бездобавочный 45,0 1,0 1,5 17,0 0,6
1 36,0 2,3 3,3 8,8 0,8
2 38,0 2,5 3,0 11,5 0,4
3 48,0 4,0 5,0 17 0,6
4 37,0 2,0 3,0 8,3 0,8
5 45,0 3,0 4,0 15,7 0,7
6 40,0 2,3 3,3 14,4 0,4
7 40,0 3,0 4,0 16,4 0,5
£ 14 Ш
Е 10
l.jli
п
ill
HI
"PI ■ I
t
te
с
L
Ö 10
7 14
Время твердения, сут
7 14
Время твердения, сут
Рис.1. Кинетика твердения составов гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с добавками
при изгибе (слева) и сжатии (справа)
С использованием метода планирования эксперимента в виде симплекс-решетки неполного третьего порядка, были получены уравнения регрессии, на основании которых были построены изолинии для разных свойств. На рисунке 2 показано изменение прочностных характеристик ГЦПВ при введении гиперпластификатора, РПП и эфира целлюлозы. Анализ полученных зависимостей показывает, что максимальной прочностью характеризуются составы с повышенным содержанием гиперпластификатора, наименьшей - с высоким содержанием эфира целлюлозы. Значения пористости и водостойкости (коэффициента
размягчения) ГЦПВ, твердевшего 28 сут, полностью коррелируют с данными по прочности.
В результате анализа полученных результатов были определены содержания добавок, при введении которых прочность ГЦПВ в возрасте 28 сут при изгибе возросла с 8,8 до 15,3 МПа, при сжатии - с 18,6 до 29 МПа, пористость понизилась с 17 до 8,3 %, а водостойкость возросла с 0,6 до 0,8. Для определения содержания функциональных модифицирующих добавок в составе комплекса по каждому из полученных уравнений был определен экстремум значения - минимум для показателей НГ и пористости, и максимум - для прочности и водостойкости (таблица 4).
Рис. 2. Влияние функциональных добавок на прочность ГЦПВ (28 сут.) при изгибе (слева) и сжатии (справа)
Таблица 4. Экстремумы параметров гипсоцементно-пуццоланового вяжущего
Параметр Экстремум Значение x y z ГП РПП ЭЦ
нг min 36,0 1,00 0,00 0,00 0,3 0,3 0,1
о-изгиб 28 max 15,3 1,00 0,00 0,00 0,3 0,3 0,1
о-сжатие 28 max 29 1,00 0,00 0,00 0,3 0,3 0,1
Водостойкость max 0,8 0,75 0,25 0,00 0,25 0,4 0,1
Таким образом, при введении в гипсоцементно-пуццолановое усреднённое значение комплекса добавок: гиперпластификатор Melflux 5581- 0,28 %, редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas LL 5999/2 - 0,35 % и эфир целлюлозы Mecellose 71170,1 %, возможно получение прочного и водостойкого гипсового вяжущего.
Список литературы
1. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Справочник. М.: АСВ, 2004. 488 с.
2. ГОСТ 24640-91. Добавки для цементов. Классификация.
3. ТУ 21-31-62-89 Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее вещество. Технические условия. М.: Издательство стандартов. 1989. 19 с.
4. Потапова Е. Н. Технология сухих строительных смесей. Материалы для производства сухих строительных смесей. М.: РХТУ. 2020. 156 с.
