CC BY
11
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 666.962.6 DOI: 10.22227/1997-0935.2021.2.176-185
Повышение воздухостойкости прессованных композитов на основе магнезиального вяжущего
Н.С. Ступень1, А.В. Каклюгин2, Л.И. Касторных2, В.В. Коваленко1
1 Брестский государственный университет имени А. С. Пушкина (БрГУ имени А. С. Пушкина);
г. Брест, Республика Беларусь; 2 Донской государственный технический университет (ДГТУ); г. Ростов-на-Дону, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Одним из критериев долговечности строительных материалов является их водостойкость, обычно оцениваемая по величине коэффициента размягчения. Однако даже водостойкие материалы не всегда способны выдерживать циклические атмосферные воздействия, вызывающие линейные деформации, снижение прочности и разрушение строительных изделий. Поэтому возникает необходимость учитывать стойкость строительных материалов, в частности, к попеременному увлажнению-высушиванию (воздухостойкость). Цель работы — исследование возможности получения прессованных композитов на основе модифицированного магнезиального вяжущего повышенной стойкости к атмосферным воздействиям.
Материалы и методы. Модификацию магнезиального вяжущего для повышения водо- и воздухостойкости композитов на его основе осуществляли введением добавки микрокремнезема и прессованием при высоком давлении. Изучали влияние модификатора на изменение прочности на сжатие прессованных композитов в высушенном и во-донасыщенном состоянии, коэффициентов размягчения и воздухостойкости, а также линейных деформаций контрольных образцов после установленного количества циклов попеременных увлажнений и высушиваний. (Ч ¡у Результаты. Выявлена возможность повышения водо- и воздухостойкости строительных изделий на основе маг-
незиальных вяжущих веществ за счет введения в состав формовочных смесей микрокремнезема и их уплотнения методом прессования. Разработаны составы прессованных композитов на основе модифицированного магнезиального вяжущего, предназначенных для изготовления изделий, используемых в ограждающих конструкциях зданий, з а также для устройства полов в помещениях с влажностью более 60 %.
$ Выводы. Установлено, что прессованные композиты на основе модифицированного магнезиального вяжущего об-
ладают высокой стойкостью к попеременному увлажнению-высушиванию. Предлагаемый способ модификации препятствует расшатыванию структуры изготовленного из него прессованного камневидного материала при знакопере-<0 ф менных напряжениях, уменьшает линейные деформации и, как следствие, замедляет его усталостное разрушение.
£ Применение в качестве минеральной добавки вторичного ресурса должно способствовать снижению себестоимости
2 з изделий, что позволяет отнести способ их производства к наилучшим доступным технологиям.
^ I
• , КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: магнезиальные вяжущие, прессованные композиты, водостойкость, воздухостойкость, ми-
<и ф крокремнезем, наилучшие доступные технологии
-Ь-'
О ф ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Ступень Н.С., Каклюгин А.В., Касторных Л.И., Коваленко В.В. Повышение воздухостойко-
^ ¡2= сти прессованных композитов на основе магнезиального вяжущего // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. Вып. 2. С. 176-185.
§ £ йО!: 10.22227/1997-0935.2021.2.60-69
8 « <м 5
о о
N N
N N
.а .
to io
X
Using a magnesia binder to improve the airproof performance of molded
composites
(Л "
со E — 1
o>
E о
£ О _
1 "У "У
ю о Nonna S. Stupen1, Alexandr V. Kaklyugin2, Luybov I. Kastornykh2,
CO — 1
g I Viktor V. Kovalenko1
jj о 1 Brest State A.S. Pushkin University (BrSU); Brest, Republic of Belarus;
? ^ 2 Don State Technical University (DSTU); Rostov-on-Don, Russian Federation
z £ -
<л с
41 2 ABSTRACT
^ ' Introduction. Water resistance is one of durability criteria of building materials. As a rule, the value of the liquefaction ratio
О JJ is applied to assess the water resistance. However, even water resistant materials are not always able to withstand cyclical
g О weather impacts that cause linear deformations, reduced strength and cause destruction of building products. Therefore, it
^ E is necessary to take into account the resistance of building materials, namely, their resistance to alternating humidification
S and drying (airproof performance). The purpose of this research is to study the producibility of molded composites containing
_ a modified magnesium binder that features higher resistance to weather impacts.
Ф ¡2 Materials and methods. The magnesium binder was modified by the silica fume and high pressure molding to increase
U > the water resistance and airproof performance of the composites. The influence produced by the modifier on the change in the compressive strength of dried and water-saturated molded composites, liquefaction and airproof performance ratios,
176 © Н.С. Ступень, А.В. Каклюгин, Л.И. Касторных, В.В. Коваленко, 2021
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
на основе магнезиального вяжущего
as well as linear deformations of the reference specimens were studied following a pre-set number of cycles of alternating wetting and drying.
Results. The water resistance and airproof performance of construction products, containing magnesia binders, may be improved by the micro-silica, added to pressed mixtures, and their compaction by press molding. Compositions of molded composites, containing a modified magnesia binder, were developed for the manufacture of products used to make enclosing structures and for the flooring of rooms having the indoor humidity of over 60 %.
Conclusions. It is established that molded composites containing a modified magnesia binder feature high resistance to alternating wetting and drying. The proposed method of modifying magnesia binders prevents the destruction of molded stone-like materials containing these binders in case of exposure to alternating stresses; it reduces linear deformations and, as a result, decelerates the fatigue failure. The use of a recyclable material as a mineral additive must contribute to the reduction of the cost of products and allow to consider the method of their production as one of the best technologies available.
KEYWORDS: magnesia binders, molded composites, water resistance, airproof performance, silica fume, best technologies available
FOR CITATION: Stupen N.S., Kaklyugin A.V., Kastornykh L.I., Kovalenko V.V. Using a magnesia binder to improve the airproof performance of molded composites. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2021; 16(2):176-185. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.2.176-185 (rus.).
ВВЕДЕНИЕ
Водостойкость природных и искусственных строительных материалов принято оценивать по величине коэффициента размягчения, вычисляемого как отношение их прочности на сжатие в водона-сыщенном и сухом состоянии. Проблема повышения водостойкости материалов и изделий на основе магнезиальных вяжущих с целью расширения их использования в строительстве на протяжении многих лет находится в центре внимания отечественных и зарубежных исследователей [1-5]. Известные способы повышения водостойкости таких изделий разнообразны, но сводятся главным образом либо к защите материала от увлажнения, либо к модификации магнезиальных вяжущих веществ различными неорганическими и органическими добавками [5-9]. Простым и эффективным методом защиты изделий на основе магнезиальных вяжущих от увлажнений является их гидрофобизация. Для этого изделия покрывают и пропитывают различными гидрофобизирующими составами: смесями, содержащими безводную терпентиновую смолу в сочетании с компонентами из группы парафиновых углеводородов, природными и синтетическими восками, углеводородными смолами, а также полиэтиленом, полигликолем, полигликолевыми эфира-ми, парафинированным спиртом и силиконовыми смолами, перхлорвиниловыми лаками и красками [10-12]. Более эффективный способ повышения водостойкости изделий на основе магнезиальных вяжущих — связывание водорастворимых продуктов их твердения в труднорастворимые соединения с помощью различных активных минеральных добавок. Многочисленные исследования посвящены изучению влияния фосфатных и сульфатных добавок, тонкомолотой обожженной глины, аморфного кремнезема [13-16]. Такие добавки позволяют улучшить физико-механические свойства изделий, но наличие труднорастворимых соединений среди продуктов твердения не в полной мере устраняет причину низкой водостойкости изделий из магнезиальных вяжущих [17]. В присутствии избытка
хлорид-ионов гидроксид и оксихлориды магния обладают повышенной растворимостью. Кроме этого, одна из проблем получения качественных изделий из магнезиальных вяжущих — устранение высо-лов хлорида магния на их поверхности, появление которых также связано с избыточной концентрацией хлорид-ионов. Однако уменьшение количественного содержания хлорид-ионов в растворе затворителя (бишофите) приводит к снижению
прочности и водостойкости изделий. Это связано 3 ®
с тем, что для обеспечения нормального твердения т
магнезиального вяжущего требуется концентрация ~ |
MgCl2 в растворе затворения не менее 15 % [1]. д
При уменьшении количества затворителя и сохра- ^ Г
нении необходимой концентрации хлорида магния С У
растворимость гидроксида и оксихлоридов магния, М I
а также возможность образования высолов умень- § %
шаются [18, 19]. Снижение содержания жидкости У ^
в формовочной смеси ухудшает удобоукладывае- ° 7
мость литых и виброуплотняемых смесей. Поэтому § 0
возникла потребность применения более интенсив- о 5
ных способов их уплотнения, например прессова- => р
ния. Метод прессования широко используют при о в
изготовлении теплоизоляционных и акустических Г %
ксилолитовых изделий. Хотя удельное давление с^ м
прессования в этом случае не превышает 15 МПа, § м
что обусловлено деформационными особенностями § о
заполнителей растительного происхождения (дре- ^ 6
весной шерсти, стружки, опилок и т.п.). о 0
На наш взгляд, для смесей на основе магнези- С о
ального вяжущего при производстве изделий плотной Г §
структуры значительный интерес представляет метод • С
прессования при более высоком давлении. Увеличе- 0 4
ние давления прессования в данном случае позволит с |
существенно сократить расход затворителя и повы- 3 6
сить за счет этого прочность изделий, а также умень- 1 С
шить высолообразование на их поверхности. С целью I ы
повышения водо- и воздухостойкости прессованных $ у
изделий из магнезиального вяжущего мы предлагаем 3 £
вводить в его состав тонкодисперсный микрокрем- , ,
незем. В результате химического взаимодействия 0 0
аморфного микрокремнезема с оксидом и гидрокси- 1 1 дом магния в растворе MgCl2 образуются труднора-
сч N 00
сч N сч сч
¡г <и
и 3 > (Л
С «
и (О <0 ф
I!
Ф О)
о ё
(Л
ел
Е о
£ ° ^ с
ю о
£ ! о Е
О) ^ т- ^
ел ел
■8 Г Е!
О И
и £
створимые гидросиликаты магния типа сепиолита и серпентина, обеспечивающие повышение водостойкости магнезиального вяжущего. Возникновение гидросиликатов магния протекает через стадию образования аморфной фазы, которая в сочетании с кристаллической делает возможным повышение прочности. Выкристаллизовавшиеся из геля гидросиликаты магния имеют спутанно-волокнистое строение, что также способствует повышению структурно-механических свойств магнезиального вяжущего. При сочетании коагуляционной, конденсационной и кристаллизационной структур камень модифицированного вяжущего приобретает максимальную прочность. В свою очередь, частицы ультрадисперсного кремнезема могут являться дополнительными центрами кристаллизации продуктов твердения магнезиального вяжущего, в частности, оксихлоридов магния [20, 21]. Использование в качестве минеральной добавки вторичного ресурса должно способствовать снижению себестоимости изделий, что позволяет отнести способ их производства к наилучшим доступным технологиям. К тому же, результаты наших предыдущих исследований показывают, что водостойкость прессованных композитов на основе воздушных вяжущих веществ особенно тесно связана с величиной их остаточной открытой пористости. Независимо от вида и количества модифицирующих добавок, значения отношения MgO/MgCl2 и величины прессующего давления, коэффициент размягчения прессованного материала уменьшается пропорционально увеличению его открытой пористости [20]. По мнению некоторых ученых [22], нельзя судить о долговечности мелкоштучных стеновых изделий на основе воздушных вяжущих веществ только на основании оценки коэффициента размягчения. Следует учитывать, что в процессе эксплуатации такие материалы крайне редко подвергаются полному обезвоживанию или водонасыщению, а, в нашем случае, прессованные композиты на основе модифицированного магнезиального вяжущего даже при значениях коэффициента размягчения 0,6-0,7 сохраняют достаточно высокую прочность на сжатие в во-донасыщенном состоянии. Поэтому, по нашему мнению, одним из важнейших критериев долговечности строительных материалов и изделий для ограждающих конструкций зданий, а также изделий, эксплуатируемых в помещениях с повышенной влажностью (более 60 %), является их стойкость к атмосферным воздействиям (воздухостойкость), оцениваемая путем проведения более жестких испытаний на попеременное увлажнение и высушивание. Такие циклические воздействия расшатывают структуру материала, ускоряют трещинообразование, снижают стойкость к агрессивным влияниям. В итоге это приводит к разрушению изделий, объясняемому, прежде всего, изменением их объема в наружных и внутренних зонах и, как следствие, появлением значительных растягивающих и скалывающих напряжений.
Цель настоящей работы — исследование возможности получения прессованных композитов на основе модифицированного магнезиального вяжущего повышенной стойкости к атмосферным воздействиям. В статье представлены результаты исследований по оценке воздухостойкости прессованных композитов на основе магнезиальных вяжущих веществ, модифицированных микрокремнеземом.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В экспериментальных исследованиях в качестве магнезиального вяжущего использовали каустический магнезит марки ПМК-75 (ГОСТ 1216-87 «Порошки магнезитовые каустические. Технические условия»), активность которого составляет 40 МПа при сжатии и 18 МПа при изгибе. В качестве пуццола-новой добавки в магнезиальное вяжущее применяли микрокремнезем — побочный продукт производства кремниевых и феррокремниевых сплавов, представляющий собой высокодисперсную пыль кремнезема (удельная поверхность 2000 м2/кг), содержащую не менее 85 % аморфного 8Ю2.
Приготовление исследуемых сырьевых смесей осуществляли на лабораторной бегунковой растворомешалке путем перемешивания компонентов в течение 5 мин. Оценку стойкости материалов к попеременному увлажнению-высушиванию проводили на образцах-цилиндрах высотой и диаметром 50,5 мм. Образцы изготавливали методом прессования под давлением 40 МПа в специальных пресс-формах из формовочных смесей нескольких составов. Перед испытаниями образцы 28 сут твердели в воздушно-сухих условиях.
Стойкость образцов к попеременному увлажнению-высушиванию изучали следующим образом. Сначала образцы в течение 3 ч выдерживали в воде при температуре (20 ± 2) °С, а затем высушивали в течение 15 ч при такой же температуре. После этого их высушивали 6 ч в сушильном шкафу при температуре 60-65 °С. Указанные операции по водонасыщению и высушиванию принимали за один цикл испытаний. Принятую в опытах продолжительность выдерживания образцов в воде устанавливали из условия, что в течение этого времени их водонасыщение достигает примерно 85 % максимально возможного значения. После каждых 10 циклов для физико-механических испытаний отбирали по 10 образцов, половину которых испытывали в высушенном до постоянной массы состоянии, а остальные — в водонасыщен-ном. По показателям прочности образцов на сжатие определяли коэффициенты размягчения и воз-духостойкости. Последний вычисляли как частное от деления прочности высушенных до постоянной массы образцов, прошедших N циклов испытаний, к прочности контрольных образцов (при «нулевом» цикле испытаний). Считали, что материал выдержи-
вает испытания, если коэффициент воздухостойкости остается не менее 0,75.
Возникновение и развитие необратимых деформаций при попеременных увлажнениях-высушиваниях изучали на образцах-призмах размером 40 х 40 х 160 мм, в торцах которых в процессе формования были зафиксированы стальные пластинки размером 40 х 40 мм с анкерами. Измерение деформаций производили с помощью штатива с индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Углубления, сделанные керном в геометрических центрах анкерных пластинок, обеспечивали измерение деформации в одних и тех же точках. Контроль надежности измерений и учет температурных погрешностей обеспечивали с помощью стального эталона, имеющего такие же геометрические характеристики, что и опытные образцы. Перед измерением деформаций осуществляли отсчет по эталону, после чего последний помещали в воду, где находились образцы, подлежащие очередным измерениям. По окончании измерения деформаций всех образцов эталон извлекали из воды и снимали второй отсчет. Разность размеров до и после помещения эталона в воду учитывали при подсчете величины деформации. Измерения образцов производили через каждые 10 циклов попеременных увлажнений и высушиваний.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Оценку стойкости прессованных композитов на основе модифицированного магнезиального вяжущего к попеременному увлажнению и высушиванию проводили с использованием контрольных образцов, отформованных из смесей, составы которых в предварительных опытах показали наилучшие результаты по прочности на сжатие и водостойкости. Исследования выполнены при соотношении М^/ МяС12, равном 0,072. Составы исследуемых формовочных смесей и физико-механические характери-
стики отформованных их них образцов приведены в табл. 1.
Характер изменения прочности на сжатие образцов в сухом и водонасыщенном состоянии по мере увеличения числа циклов попеременных увлажнений-высушиваний представлен на рис. 1.
Из полученных данных видно, что механическая прочность образцов всех составов уменьшается по мере нарастания числа циклов испытаний. Однако наиболее заметно при этом снижение прочности у образцов составов 1 и 2, т.е. изготовленных из теста магнезиального вяжущего нормальной консистенции литьевым способом и прессованного магнезиального вяжущего без минеральной добавки соответственно. Прессованные образцы с добавкой микрокремнезема (составы 3-6) оказались значительно более стойкими к попеременным увлажнениям и высушиваниям. Так, если принять допустимое снижение начальной прочности материала в процессе циклических испытаний не более чем на 25 %, то по показателям прочности в высушенном состоянии образцы первого состава выдержали 35 циклов, второго состава — 40 циклов, пятого состава — 50 циклов, шестого состава — 45 циклов, а указанное снижение прочности третьего и четвертого составов произошло после 80 циклов попеременных увлажнений и высушиваний. Следует отметить, что снижение прочности образцов на 25 % в водонасыщенном состоянии у всех составов фиксируется при меньшем числе циклов увлажнений и высушиваний. У образцов первого и второго составов оно наступает через 25 циклов испытаний, третьего состава — через 65 циклов, четвертого состава — через 45 циклов, пятого состава — через 30 циклов, а у образцов шестого состава, содержащего наибольшее количество микрокремнезема, снижение прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии происходит через 20 циклов испытаний. Образцы первого состава, выдержав 60 циклов попеременного увлажнения-высушивания, а второго
Табл. 1. Составы формовочных смесей и физико-механические характеристики модифицированных вяжущих Table 1. Compositions of molding compounds; physical and mechanical characteristics of modified binders
Состав Composition Содержание, % по массе Content, % by mass Предел прочности образцов при сжатии, МПа Ultimate compressive strength of samples, MPa Коэффициент размягчения Liquefaction ratio Средняя плотность, кг/м3 Average density, kg/m3 Водопоглощение, % по массе Water absorption, % by mass Открытая пористость, % Effective porosity, %
магнезиальное вяжущее magnesia binder микрокремнезем silica fume сухие dry водо-насыщенные water-saturated
1 100 - 41,1 22,1 0,54 1900 13,9 2б,41
2 100 - 4б,1 2б,3 0,57 2000 8,9 21,00
3 90 10 бб,7 53,б 0,80 2080 5,8 12,0б
4 85 15 б2,8 44,б 0,71 2108 5,7 11,30
5 80 20 54,7 37,2 0,б8 2080 б,5 13,05
б 75 25 4б,8 29,3 0,б2 2075 8,5 14,20
< П
tT
iH
о
t CO
l i
y 1
J CO
u i
r i
n о
i s о
n
со со
M со о
>6
• ) ¡í
<D
О)
№ DO
■ £
s S
s у
с о
<D *
0) 01
M M
о о
10 10
сч N о о
N N
сч сч ¡г (V U 3 > (Л
с и
U (О
<о ф
i!
<D <D
о ё
и шестого составов — 80 циклов испытаний, полностью разрушились.
Как видно из рис. 1, прочность сухих и водо-насыщенных образцов третьего и четвертого составов в первые 20 циклов испытаний несколько увеличивается. После 80 циклов попеременных увлажнений-высушиваний эти составы, содержащие соответственно 10 и 15 % микрокремнезема. характеризуются наибольшим сбросом прочности. Отмеченное увеличение прочности образцов указанных выше составов можно объяснить сложными физико-химическими процессами, происходящими в структуре прессованного материала при попеременных увлажнениях-высушиваниях. Они связаны с дополнительной гидратацией оксида магния, а также частичным переходом аморфной фазы гидросиликатов магния в кристаллическую. Происходящие процессы сопровождаются, по-видимому, увеличением удельной поверхности новообразований, что приводит к уплотнению структуры затвердевшего камня и снижению его открытой пористости. В наших исследованиях это хорошо согласуется с представленным на рис. 2 изменением водопоглощения по массе образцов по мере нарастания числа циклов попеременных увлажнений и высушиваний.
Сопоставляя данные изменения прочности образцов (рис. 1) и их водопоглощения по массе (рис. 2) с увеличением числа циклов испытаний,
можно проследить следующую закономерность: чем больше прирост прочности материала в первые циклы испытаний, тем одновременно заметнее снижается его водопоглощение по массе, тем раньше в дальнейшем наступает 25%-ный сброс прочности исследуемых образцов.
Изменение свойств исследованных составов сопровождается линейными деформациями образцов-призм, которые представлены на рис. 3. Они связаны с описанными выше физико-химическими процессами, происходящими в структуре материалов, а также с развитием дефектов и микротрещин усталостного характера. В результате проведенных исследований установлено, что образцы, изготовленные прессованием из модифицированных вяжущих (составы 3-6), характеризуются необратимыми линейными деформациями на 1,5-2 раза меньше, чем образцы из теста магнезиального вяжущего нормальной консистенции (состав 1), а также образцы из чистого прессованного магнезиального вяжущего (состав 2). Следует отметить, что у образцов первого состава после 40 циклов попеременных увлажнений-высушиваний на поверхности появляются высолы, а после 60 циклов испытаний при деформации 8,8 мм/м они разрушаются. Образцы второго состава (прессованные без добавки микрокремнезема) разрушаются после 80 циклов испытаний при уровне деформаций 7,8 мм/м. Прес-
Е о
DL° • с
ю «з
Sg
о ЕЕ £ о
О) ^ т- ^
W W
2 3
■8 г
Е!
О (Я
Рис. 1. Зависимость прочности образцов на сжатие в высушенном (а) и водонасыщенном (b) состоянии от числа циклов попеременного увлажнения и высушивания: 1-6 — номера составов
Fig. 1. Dependence of compressive strength of samples in the dried (a) and water-saturated (b) condition on the number of alternating wetting/drying cycles: 1-6 — composition numbers
¡ж со
о S о -
У '— Й о
3 g £
О И
£ S х ■—
У =
3 о
о
В ~
g S § "f
m I
35
30
25
20
15
10
/
/ ,2 6 И
/
г
0
20
40
60
80 100 120
Количество циклов увлажнений-высушиваний. Лг
Number of alternating wetting/drying
11
§ «
% 1 Q. 7=
i> л
щ a
CJ CJ
II
S -J
R
10 I
S 7
ч б ___<
2 >
4)
3
0
20
40
60
80 100 120
Количество циклов увлажнений-высушиваний. N
Number of alternating wetting/drying
Рис. 2. Зависимость водопоглощения по массе образцов от числа циклов попеременного увлажнения и высушивания: 1-6 — номера составов Fig. 2. Dependence of water absorption on the number of alternate wetting/drying cycles in terms of the mass of samples: 1-6 — composition numbers
Рис. 3. Линейные деформации образцов при попеременных увлажнениях и высушиваниях: 1-6 — номера составов
Fig. 3. Linear deformations of samples in the course of wetting and drying: 1-6 — composition numbers
< П
tT
iH
о
W
с
сованные композиты третьего, четвертого и пятого составов с линейными деформациями 7,8; 7,9 и 8,1 мм/м не разрушаются даже после 120 циклов испытаний.
По нашему мнению, полученные закономерности связаны с особенностями структуры композитов, обусловленными применением добавки тонкодисперсного микрокремнезема и уплотнением смесей прессованием при высоком давлении. Линейные деформации третьего и четвертого составов наиболее сильно проявляются в первые 20-30 циклов попеременных увлажнений-высушиваний, а затем скорость их нарастания понижается.
Ранее мы отмечали, что в этот период испытаний у большинства составов отмечается рост механической прочности и уменьшение водопоглощения по массе. Это позволяет предположить, что увеличение линейных размеров образцов вызвано дополнительной гидратацией и кристаллизацией аморфных гидросиликатов магния, происходящих в первые циклы попеременных увлажнений-высушиваний и сопровождающихся некоторым объемным расширением. Как видно из рис. 3, необратимые линейные деформации образцов прессованного магнезиального вяжущего без добавки (состав 2) и изготовленных из магнезиального теста нормальной консистенции (состав 1) нарастают лавинообразно и сопровожда-
ются снижением прочности, водостойкости и ростом водопоглощения, что указывает на крайне низкую стойкость указанных составов при попеременных увлажнениях-высушиваниях. Резкое увеличение линейных деформаций наблюдается в образцах пятого и шестого составов (содержат соответственно 20 и 25 % по массе микрокремнезема) после 80 циклов испытаний. Такой характер накопления деформаций связан с избыточным содержанием микрокремнезема, который не участвует в образовании гидросиликатов магния и, за счет образования дополнительной аморфной фазы, увеличивает напряжения в камне вяжущего при попеременных увлажнениях и высушиваниях.
Описанные выше изменения механической прочности материала в сухом и водонасыщенном состоянии с увеличением числа циклов попеременных увлажнений-высушиваний наиболее наглядно можно проследить на рис. 4, на котором показано изменение рассчитанных коэффициентов размягчения и воздухостойкости исследованных составов. Как видно из рис. 4, а, коэффициент размягчения для всех составов при попеременном увлажнении-высушивании изменяется не монотонно. Первый состав (из теста магнезиального вяжущего нормальной консистенции) характеризуется наименьшим начальным коэффициентом размягчения
0 м t со
1 z
y 1
J со
U -
r I
n °
» 3
о »
oî
о n
со со
м со о
»66
о о
0)
о
c n
• ) и
(D
О)
№ ОН
■ т
s У
с о
(D Ж
о о
to 10
сч N о о
N N
сч сч ¡г (V U 3 > (Л
с и
U (О
<о ф
i!
<D <D
о ё
ел
W
■8 г
El
О (Я
(Кр = 0,54), величина которого после 40 циклов испытаний снижается до 0,27. Затем после 60 циклов увлажнений-высушиваний коэффициент размягчения повышается до 0,45, но при этом образцы начинают разрушаться. Своего минимального значения коэффициенты размягчения образцов второго и шестого составов достигают через 50 циклов (Кр = 0,39 и 0,35), а пятого состава — через 120 циклов испытаний (Кр = 0,31). Затем у второго состава — через 80 циклов, а у шестого состава — через 100 циклов увлажнений-высушиваний коэффициент размягчения повышается и достигает практически первоначального значения. Это связано с тем, что при циклических увлажнениях-высушиваниях в первые сроки испытаний прочность магнезиальных вяжущих в высушенном состоянии снижается в меньшей степени, чем прочность в водонасыщен-ном. При нарастании числа испытаний в камне магнезиального вяжущего накапливаются усталостные напряжения, не позволяющие им восстанавливать прочность при высыхании, поэтому разрушение образцов идет даже при сравнительно большом значении коэффициента размягчения.
Наибольшим коэффициентом размягчения до начала испытаний обладают образцы третьего и четвертого составов (Кр = 0,80 и 0,71). Эти составы выдержали 120 циклов испытаний без разрушения при сравнительно небольших значениях коэффициентов размягчения (Кр = 0,38 и 0,29).
Изменение коэффициента воздухостойкости у всех составов также согласуется с изменением физико-механических характеристик при попеременных увлажнениях-высушиваниях (рис. 4, Ь). После первых 10 циклов испытаний у всех исследованных составов наблюдается небольшое увеличение Кв. После 60 циклов испытания коэффициент воздухостойкости первого состава составляет 0,28, при этом образцы разрушаются. У образцов второго состава разрушение происходит после 80 циклов испытаний (Кв = 0,18), а образцы из пятого и шестого составов выдерживают 100 циклов испытаний при значениях коэффициента воздухостойкости соответственно 0,28 и 0,13. Коэффициенты воздухостойкости у третьего и четвертого составов после 120 циклов испытаний соответственно равны 0,34 и 0,25.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что прессованные композиты из модифицированных магнезиальных вяжущих обладают высокой стойкостью к попеременному увлажнению-высушиванию в сравнении с магнезиальными вяжущими без добавки, и, тем более, с образцами, отформованными из теста нормальной консистенции. Это объясняется тем, что, как установлено в наших предыдущих исследованиях, прессованные композиты на основе модифицированного магнезиального вяжущего содержат
<л
W
Е О
DL° • с
ю «з
Sg
о ЕЕ £ о
О) ^ т- ^
Рис. 4. Зависимость коэффициентов размягчения (а) и воздухостойкости (b) от числа циклов попеременного увлажнения и высушивания: 1-6 — номера составов
Fig. 4. Dependence of liquefaction (a) and airproof performance (b) ratios on the number of alternating wetting/drying cycles: 1-6 — composition numbers
в структуре затвердевшего камня труднорастворимые гидросиликаты магния. Кроме того, гидросиликатные пленки защищают оксихлориды магния от разрушающего действия воды. Прессование, как способ уплотнения, позволяет более чем в два раза сократить содержание хлорида магния в составе затворителя, что обеспечивает уменьшение растворимости образующихся оксихлоридов и гидросиликатов магния. В результате этого достигается повышение водостойкости затвердевшего камня, а также исключение вы-солообразования. Процесс твердения прессованных магнезиальных композитов, модифицированных микрокремнеземом в оптимальном количестве (10-15 % по массе), сопровождается образованием сложной комбинированной структуры, содержащей коагуля-ционную, конденсационную и кристаллизационную
фазы. Предлагаемый способ модификации магнезиального вяжущего препятствует расшатыванию структуры изготовленного из него прессованного камневидного материала при знакопеременных напряжениях, уменьшает линейные деформации и, как следствие, замедляет его усталостное разрушение.
Разработанные составы прессованных магнезиальных композитов рекомендуются для производства строительных изделий, применяемых в ограждающих конструкциях зданий, а также для устройства полов в помещениях с влажностью более 60 %. Использование в качестве минеральной добавки вторичного ресурса должно способствовать снижению себестоимости изделий, что дает возможность отнести способ их производства к наилучшим доступным технологиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вайвад А.Я. Магнезиальные вяжущие вещества. Рига : Зинатне, 1971. 331 с.
2. Бердов Г.И., Зырянова В.Н., Ильина Л.В., Никоненко Н.И., Сухаренко В.А. Межфазное взаимодействие и механическая прочность композиционных вяжущих материалов. Часть 1. Магнезиальные вяжущие вещества // Техника и технология силикатов. 2014. Т. 21. № 3. С. 8-14.
3. Митина Н.А., Лотов В.А., Кабанова В.В., Сухушина А.В. Особенности гидратации магнезиального цемента // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-3. С. 676-680.
4. Chen H. Preparation and performance of magnesia cement plate modified by some modifiers // International Conference on Agricultural and Natural Resources Engineering Advances in Biomedical Engineering. 2011. Vol. 3-5. Pp. 261-265.
5. Misra A.K., Mathur R. Magnesium oxychloride cement concrete // Bulletin of Materials Science. 2007. Vol. 30. Issue 3. Pp. 239-246. DOI: 10.1007/s12034-007-0043-4
6. Chernykh T. Energy-saving magnesium oxychloride cement intensifier // SGEM International Multidisciplinary Scientific Conference on Social Sciences and Arts. 2015. Vol. 1. Pp. 359-363.
7. Орлов А.А., Черных Т.Н., Крамар Л.Я. Сте-кломагнезиальные листы: проблемы производства, применения и перспективы развития // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 48-52.
8. Мирюк О.А. Перспективы использования отходов в технологии магнезиальных строительных материалов // Наука и Мир. 2014. Т. 1. № 11 (15). С. 41-44.
9. Прокофьева В.В. Декоративно-технические свойства строительных материалов на основе магнезиального сырья // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 2 (31). С. 169-173.
10. Karimi Y., Monshi A. Effect of magnesium chloride concentrations on the properties of magnesium
oxychloride cement for nano SiC composite purposes // Ceramics International. 2011. Vol. 37. Issue 7. Pp. 2405-2410. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.05.082
11. Wang S., Weng R., Zhu Y., Li X. Effects of EVA Latex on the Properties of Glassfiber/Magnesium- < и oxychloride Cement Composites // Journal of Wuhan s с
^ 4
University of Technology, Materials Science Edition. i x
2006. Vol. 21. Issue 1. Pp. 138-142. DOI: 10.1007/ _ £
BF02861492 о 3
м П
12. Garda-TrinanesP., MorgeneyerM., Casares J., ° О
Bao M. Use of organic byproducts as binders in the roll ^ I
compaction of caustic magnesia // Powder Technology. о s
2012. Vol. 226. Pp. 173-179. DOI: 10.1016/j.powtec. y 1
2012.04.039 J 9
о 7
13. Плеханова Т.А. Магнезиальные композици- Г —
^ о
онные материалы, модифицированные сульфатными g 3
добавками : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ка- § рр
зань, 2005. 22 с. 0 =■
14. Li G., Yu H. Influence of fly ash and silica fume r1 on water-resistant property of magnesium oxychloride t n cement // Journal of Wuhan University of Technology- § M Mater. Sci. Ed. 2010. Vol. 25. Issue 4. Pp. 721-724. о 4
DOI: 10.1007/s11595-010-0079-y A 6
J r cn
15. Nahdi K., Ayadi M., Rouquerol F. Mg(OH)2 о g dehydroxylation: a kinetic study by controlled rate С о thermal analysis (CRTA) // Solid State Sciences. 2009. | 0 Vol. 11. Issue 5. Pp. 1028-1034. DOI: 10.1016/j. ° °° solidstatesciences.2009.02.013 0 H
16. Li J., Li G., Yu Y. The influence of compound с | additive on magnesium oxychloride cement/urban | 1
G)
refuse floor tile // Construction and Building Materials. 6 ■
2008. Vol. 22. Issue 4. Pp. 521-525. DOI: 10.1016/j. I ?
conbuildmat.2006.11.010 С с
17. Li Y., Yu H, Zheng L, Wen J., Wu C., Tan Y. ° £ Compressive strength of fly ash magnesium oxychloride 1° 1° cement containing granite wastes // Construction 0 0 and Building Materials. 2013. Vol. 38. Pp. 1-7. 1 1 DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.06.016
18. KandeelA.M., El-Mahllawy M.S., HassanH.A., Sufe W.H., Zeedan S.R. Effect of type of mixing water and sand on the physico-mechanical properties of magnesia cement masonry units // HBRC Journal. 2012. Vol. 8. Issue 1. Pp. 8-13. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2012.08.002
19. Лотов В.А., Митина Н.А. Получение водостойкого магнезиального вяжущего // Техника и технология силикатов. 2010. Т. 17. № 3. С. 19-22.
20. Каклюгин А.В., Ступень Н.С., Кастор-ных Л.И., Коваленко В.В. Зависимость водостойкости прессованных материалов на основе воз-
Поступила в редакцию18 декабря 2020 г. Принята в доработанном виде 1 января 2021 г. Одобрена для публикации 1 февраля 2021 г.
душных вяжущих веществ от величины открытой пористости // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. № 1 (32). С. 68-75. DOI: 10.21285/2227-2917-2020-1-68-75
21. Kaklyugin A., Stupen N., Kastornykh L., Kovalenko V. Pressed composites based on gypsum and magnesia binders modified with secondary resources // Materials Science Forum. 2020. Vol. 1011. Pp. 52-58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1011.52
22. Невский В.А. Усталость и деформативность бетона. М. : Вузовская книга, 2012. 264 с.
N N О О N N
NN К (V U 3
> (Л
с и
to со
<0 ф
!!
Ф О)
О ё
(Л W
Е о
DL° • с
ю «з
Sg
о ЕЕ
£ о а> ^
т- ^
W W
■8 г
Е!
О И
Об авторах : Нонна Степановна Ступень — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры химии; Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина (БрГУ имени А. С. Пушкина);
224016, г. Брест, б-р Космонавтов, д. 21, Республика Беларусь; РИНЦ ID: 444566, ORCID: 0000-0002-9468-3062; chemskorp@yandex.ru;
Александр Викторович Каклюгин — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительных материалов; Донской государственный технический университет (ДГТУ); 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, д. 162; РИНЦ ID: 335150, Scopus: 5720455855, ORCID: 0000-0003-1808-0208; kaklugin@ gmail.com;
Любовь Ивановна Касторных — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологического инжиниринга и экспертизы в стройиндустрии; Донской государственный технический университет (ДГТУ); 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, д. 162; РИНЦ ID: 339734, ORCID: 0000-0001-89682543; likas9@mail.ru;
Виктор Викторович Коваленко — старший преподаватель кафедры химии; Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина (БрГУ имени А.С. Пушкина); 224016, г. Брест, б-р Космонавтов, д. 21, Республика Беларусь; РИНЦ ID: 444566, ORCID: 0000-0002-9468-3062; kvv0407@rambler.ru.
REFERENCES
1. Vaivad A.Ya. Magnesia binders. Riga, Zinatne, 1971; 331. (rus.).
2. Berdov G.I., Zyryanova V.N., Ilyina L.V., Nikonenko N.I., Sukharenko V.A. Iinterfacial interaction and mechanical strength of the composite binding materials. Part 1. Magnesium binders. Technics and Technology of Silicates. 2014; 21(3):8-14. (rus.).
3. Mitina N.A., Lotov V.A., Kabanova V.V., Sukhusshina A.V. Features of hydration of the magnesia cement. Fundamental Research. 2013; 8-3:676-680. (rus.).
4. Chen H. Preparation and performance of magnesia cement plate modified by some modifiers. International Conference on Agricultural and Natural Resources Engineering Advances in Biomedical Engineering. 2011; 3-5:261-265.
5. Misra A.K., Mathur R. Magnesium oxychloride cement concrete. Bulletin of Materials Science. 2007; 30(3):239-246. DOI: 10.1007/s12034-007-0043-4
6. Chernykh T. Energy-saving magnesium oxychloride cement intensifier. SGEM International Mul-tidisciplinary Scientific Conference on Social Sciences and Arts. 2015; 1:359-363.
7. Orlov A.A., Chernykh T.N., Kramar L.Ya. Glass-magnesia sheets: problems of production, application and development prospects. Construction Materials. 2014; 3:48-52. (rus.).
8. Miryuk O.A. Prospects of wastes use in the technologies of magnesial construction materials. Science and World. 2014; 1:11(15):41-44. (rus.).
9. Prokof'yeva V.V. Decorative-technical properties of building materials on the basis of magnesium raw materials. Bulletin of Civil Engineers. 2012; 2:169-173. (rus.).
10. Karimi Y., Monshi A. Effect of magnesium chloride concentrations on the properties of magnesium oxychloride cement for nano SiC composite purposes. Ceramics International. 2011; 37(7):2405-2410. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.05.082
11. Wang S., Weng R., Zhu Y., Li X. Effects of EVA Latex on the properties of glassfiber/magnesium-oxychloride cement composites. Journal of Wuhan University of Technology, Materials Science Edition. 2006; 21(1):138-142. DOI: 10.1007/BF02861492
12. Garda-Trinanes P., Morgeneyer M., Casares J., Bao M. Use of organic byproducts as binders in the roll
compaction of caustic magnesia. Powder Technology. 2012; 226:173-179. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.04.039
13. Plexanova T.A. Magnesia composite materials modified with sulfate additives: dissertation abstract of candidate of technical sciences. Kazan, 2005; 22. (rus.).
14. Li G., Yu H. Influence of fly ash and silica fume on water-resistant property of magnesium oxy-chloride cement. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2010; 25(4):721-724. DOI: 10.1007/s11595-010-0079-y
15. Nahdi K., Ayadi M., Rouquerol F. Mg(OH)2 dehydroxylation: a kinetic study by controlled rate thermal analysis (CRTA). Solid State Sciences. 2009; 11(5):1028-1034. DOI: 10.1016/j.solidstatescienc-es.2009.02.013
16. Li J., Li G., Yu Y. The influence of compound additive on magnesium oxychloride cement/ urban refuse floor tile. Construction and Building Materials. 2008; 22(4):521-525. DOI: 10.1016/j.conbuild-mat.2006.11.010
17. Li Y., Yu H., Zheng L., Wen J., Wu C., Tan Y. Compressive strength of fly ash magnesium oxychlo-ride cement containing granite wastes. Construction
and Building Materials. 2013; 38:1-7. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2012.06.016
18. Kandeel A.M., El-Mahllawy M.S., Hassan H.A., Sufe W.H., Zeedan S.R. Effect of type of mixing water and sand on the physico-mechanical properties of magnesia cement masonry units. HBRC Journal. 2012; 8(1):8-13. DOI: 10.1016/j.hbrcj.2012.08.002
19. Lotov V.A., Mitina N.A. Getting a water-resistant magnesia binder. Technique and technology of silicates. 2010; 17(3):19-22. (rus.).
20. Kaklyugin A.V., Stupen N.S., Kastornykh L.I., Kovalenko V.V. Dependence of water resistance of moulded materials containing air-setting binders on effective porosity. Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020; 1(32):68-75. DOI: 10.21285/2227-2917-2020-1-68-75 (rus.).
21. Kaklyugin A., Stupen N., Kastornykh L., Kovalenko V. Pressed composites based on gypsum and magnesia binders modified with secondary resources. Materials Science Forum. 2020; 1011:52-58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1011.52
22. Nevsky V.A. Fatigue and deformability of concrete. Moscow, University book, 2012; 264. (rus.).
Received December 18, 2020
Adopted in revised form on January 1, 2021.
Approved for publication on February 1, 2021.
B i o n o t e s : Nonna S. Stupen — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of ^emistry; Brest State A.S. Pushkin University (BrSU); 21 Kosmonavtov blvd., Brest, 224016, Republic of Belarus; ID RISC: 444566, ORCID: 0000-0002-9468-3062; chemskorp@yandex.ru;
Alexandr V. Kaklyugin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Building Materials; Don State Technical University (DSTU); 162 Sotsialisticheskaya st., Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation; ID RISC: 335150, Scopus: 5720455855, ORCID: 0000-0003-1808-0208; kaklugin@gmail.com;
Luybov I. Kastornykh — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technological Engineering and Expertise in the Construction Industry; Don State Technical University (DSTU); 162 Sotsialisticheskaya st., Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation; ID RISC: 339734, ORCID: 00000001-8968-2543; likas9@mail.ru;
Viktor V. Kovalenko — Senior lecturer of the Department of Chemistry; Brest State A.S. Pushkin University (BrSU); 21 Kosmonavtov blvd., Brest, 224016, Republic of Belarus; ID RISC: 444566, ORCID: 0000-0002-94683062; kvv0407@rambler.ru.
< П
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 z y i
J CD
U
r I
n °
» 3
0 CJl
01
о n
CO CO
n NJ
» £ r §
•) ml
<D
0>
№ DO
" T
s □
(Л У
с о
<D *
О О
10 10
