CC BY
29Научная статья УДК 691.5
ГРНТИ: 67.09 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2022_3_34
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЕРАМЗИТОВОЙ ПЫЛИ И СТЕКЛОБОЯ
БАРКОВСКАЯ Светлана Владимировна
кандидат технических наук, доцент кафедры строительства, строительных материалов и конструкций Тульский государственный университет (Россия, Тула, e-mail: ksv.0804@yandex.ru)
ПЧЕЛЬНИКОВА Виктория Александровна
магистрант
Тульский государственный университет (Россия, Тула, e-mail: vezun76@yandex.ru)
Аннотация. В статье представлены результаты экспериментальных исследований по разработке композиционных гипсовых вяжущих веществ с применением керамзитовой пыли и тонкомолотого стеклобоя. Полученные составы композиционных гипсовых вяжущих с использованием портландцемента, суперпластификатора и кремнеземистой добавки в виде керамзитовой пыли или стеклобоя обладают повышенными прочностными показателями и коэффициентом водостойкости.
Ключевые слова: строительные материалы, строительный гипс, керамзитовая пыль, стеклобой, композиционное гипсовое вяжущее, водостойкость
Для цитирования: Барковская С.В., Пчельникова С.А. Разработка композиционных гипсовых вяжущих веществ с использованием керамзитовой пыли и стеклобоя // Эксперт: теория и практика. 2022. № 3 (18). С. 34-38. doi:10.51608/26867818_2022_3_34.
© Авторы 2022 SPIN: 1537-7091 AuthorlD: 661454
Original article
DEVELOPMENT OF COMPOSITE GYPSUM BINDERS USING CERAMIC DUST AND GLASS
© The Author(s) 2022 BARKOVSKAY Svetlana Vladimirovna
Candidate of Sciences (Technical), Associate Professor
of the Department of Construction, Building Materials and Structures
Tula state University
(Russia, Tula, e-mail: ksv.0804@yandex.ru)
PCHELNIKOVA Viktoriy Aleksandrovna
master's degree Tula state University
(Russia, Tula, e-mail: vezun76@yandex.ru)
Annotation. The article presents the results of experimental research on the development of composite gypsum binders using expanded clay dust and thin-ground glass. The obtained compositions of composite gypsum binders using Portland cement, superplasticizer and silica additive in the form of expanded clay dust or fiberglass have increased strength and water resistance coefficient.
Keywords: building gypsum, expanded clay dust, glass, composite gypsum binder, water resistance
For citation: Barkovskay S.V., Pchelnikova V.A. Development of composite gypsum binders using ceramic dust and glass // Expert: theory and practice. 2022. № 3 (18). Pp. 34-38. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2022_3_34.
il
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2022. № 3 (18)
Введение
Применение гипсового сырья для строительных материалов по сравнению с материалами на цементном вяжущем аналогичного назначения отличается пониженными энергозатратами при производстве, а также более лучшими экологическими показателями. Например, для обжига портландцемента необходимо обеспечение температуры 1450 °С, строительной извести - 100 - 1100 °С, а строительный гипс может быть получен при температуре 120 -160 °С. Однако, при своих положительных свойствах: более низкая стоимость, доступность сырья, простота применения, гипсовым вяжущим присуще такие недостатки, как низкая водостойкость и морозостойкость, относительно невысокая прочность, а также значительное снижение прочностных показателей при увлажнении.
Одним из способов устранения недостатков гипсовых вяжущих являются композиционные вяжущие вещества на основе строительного гипса. Композиционные гипсовые вяжущие (КГВ) должны характеризоваться пониженной водопотребностью, повышенными прочностными показателями, способность к гидравлическому твердению, а также формированием мелкопористой структуры камня, которая обеспечит повышение водостойкости и долговечности. В данной работе рассматривается получение композиционных гипсовых вяжущих с помощью активированной смеси портландцемента, кремнеземистых добавок, поверхностно-активных веществ.
Для получения КГВ необходимо обеспечение следующих условий:
1) определение оптимального количества кремнеземистых добавок и необходимого количества портландцемента для обеспечения гидравлич-ности композиционного гипсового вяжущего;
2) в начальные сроки, когда структура ещё податлива, должно проходить образование основного количества эттрингита, с обеспечением прекращения этого процесса во времени;
3) в последующий период твердения необходимо поддержание низкой концентрации гидрок-сида кальция.
При твердении гипсоцементных вяжущих кремнеземистая добавка дает активный кремнезем, который снижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, т.е. устраняются условия устойчивого существования эттрингита. Избыток активного кремнезема предотвращает образование высокоосновного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) из минерала портландцемента 4Са0-АЬ0з^е20з (C4AF -алюмоферритная фаза), сокращая связывание ди-гидрата сульфата кальция минералом 3Са0-А1203 (С3А), что способствует образованию низкооснов-
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
ного гидросульфоалюмината кальция вместо эттрингита. Новые образовывающиеся соединения характеризуются значительно меньшими размерами молекул, по сравнению с эттрингитом, что обеспечивает твердение гипсоцементных систем, содержащих активный кремнезем, без нарушения структуры и прочности [1-2].
Таким образом, условия для разработки композиционных гипсовых вяжущих (гипсо-цементно-кремнеземистых систем) следующие:
1) количество портландцемента должно обеспечивать необходимую гидравличность и водостойкость вяжущего;
2) компоненты композиционного вяжущего (портладцемент, гипс, керамзитовая пыль, микронаполнитель из утильного стеклобоя) необходимо активировать, в случае с портландцементом, для повышения степени его гидратации и связыванию большей части алюминатов с гипсом для образования эттрингита в начальный период твердения системы;
3) кремнеземистый компонент необходим для снижения концентрации гидроксида кальция (Са(ОН)2). Кремнеземистый компонент взаимодействует с гидраксидом кальция в первоначальный период структурообразования и при длительном твердении. В данной работе применяли малоактивные кремнеземистые компоненты: керамзитовую пыль и стеклобой.
Кремнеземистые компоненты в составе композиционного гипсового вяжущего вещества могут быть представлены тремя группами: высокоактивные, которые содержат активный и аморфный кремнезем (микрокремнезем, белая сажа), обычные, содержащие аморфный кремнезем (зола-унос, доменные гранулированный шлак) и малоактивные (обожженная глина, стеклобой), которые содержат, в основном, кристаллический кремнезем или малое количество аморфного кремнезема. В данной работе рассматривается введение в состав КГВ в качестве кремнеземистого компонента керамзитовой пыли и стеклобоя.
Керамзитовая пыль применялась рядом авторов для разработки композиционных вяжущих веществ, как на гипсовых вяжущих, так и на основе цементных вяжущих [1-5]. Утилизации стеклобоя также является актуальной в нашей стране, учитывая тот факт, что каждый год в нашей стране образуется около 1,2 млн. тонн отходов стекла, а доля стеклобоя в общем количестве твердых бытовых отходов составляет 4 - 7% [6]. Утилизация стеклобоя может производиться, как в качестве заполнителя и наполнителя в эпоксидных композитах для сохранения светопроницаемости материала [7], другие исследователи использовали бой стекла в качестве основного компонента связующего в цементных системах
[8], а так же разрабатывались бесцементные составы с условиями гидротермальной обработки [9].
Таблица 1 - Влияние домола на свойства гипсового вяжущего
П родолжительность домола, мин Удельная поверхность, м2/кг Нормальная густота гипсового теста Прочность при сжатии, МПа Средняя плотность камня, г/см3
через 2 часа высуш. до постоян. массы через 2 часа высуш. до постоян. массы
механическая активация гипсового вяжущего
0 350 0,52 5,2 12,0 1,77 1,35
5 540 0,64 4,7 11,0 1,70 1,17
10 780 0,73 4,3 10,2 1,69 1,14
15 1050 0,81 3,5 7,5 1,62 1,01
механохимическая активация гипсового вяжущего
5 560 0,49 6,9 14,0 1,75 1,40
10 820 0,40 7,5 19,0 1,82 1,44
15 1090 0,36 6,9 20,2 1,72 1,20
Материалы и методы
В качестве вяжущих использовались: гипсовое вяжущее марки Г-5 В II ЗАО «Самарского гипсового комбината» (ГОСТ 125 - 2018), портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 Н производства АО «Липецкце-мент» (ГОСТ 31108 - 2020). Пластификатор С-3 -нафталинформальдегидный суперпластификатор для бетонов и строительных растворов, отвечающий требованиям к суперпластифицирующим и суперво-доредуцирующим добавкам по ГОСТ 24211, а также требованиям ТУ 5870-002-58042865-03 с изм. №1. Кремнеземсодержащие добавки: керамзитовая пыль и утильный стеклобой.
При исследовании физико-механических свойств исходных вяжущих использовали стандартные методы испытаний, принятые для соответствующих вяжущих. Оценку консистенции и сроков схватывания теста из композиционного вяжущего в виду его быстрого схватывания и преобладающего содержания в нем полуводного гипса проводили по ГОСТ 23789 - 2018. Прочностные характеристики образцов из композиционного вяжущего определяли в разные сроки твердения по ГОСТ 310.4 - 81.
Для возможности оценки влияния введения комплекса на прочность композиционного гипсового вяжущего во времени прочностные показатели образцов определялись как в возрасте, определенном ГОСТ 23789 - 2018 для гипсовых вяжущих - 2 часа, так и в возрасте 7 и 28 суток.
Для активации выбранных компонентов данной работе применялись механическая и механохи-мическая активация (дополнительный помол гипсового вяжущего в присутствии суперпластификатора С-3) в лабораторной шаровой мельнице. Механическая активация содействует ускорению степени гидратации, способствует ускорить связывание гидрок-сида кальция, как следствие, положительно влияет на плотность и прочность затвердевшего композиционного гипсового вяжущего вещества [2]. Кремнеземистые компоненты также проходили домол в лабораторной шаровой мельнице.
Результаты
С целью выявления необходимости помола вяжущего при получении композиционного гипсового вяжущего на первоначальном этапе проводилась сравнение механической и механохимической активация гипсового вяжущего, т.е. в присутствии добавки С-3. Результаты приведены в таблице 1. Следует отметить, что в таблице для механохимической активации приведены результаты с применением ранее определенного оптимального количества добавки суперпластификатора С-3.
На первоначальном этапе при применении механической активации даже при непродолжительном домоле гипсового вяжущего получали быстрый рост удельной поверхности, как следствие, возрастала водопотребность, что подтверждается результатами других работ [4, 10]. В дальнейшем использовали только механохимическую активацию гипсового вяжущего - дополнительный помол в присутствии суперпластификатора С-3. Было установлено эффективное количество суперпластификатора, необходимого при домоле, при котором достигалось снижение водопотребности не менее чем на 20%, и повышение прочностных показателей не менее чем на 1 марку.
В качестве компонента, связывающего гид-роксид кальция (кремнеземистого компонента) в составах гипсоцементнопуццоланового вяжущего может успешно рассматриваться молотый кварцевый песок [3]. Керамзитовая пыль менее активна, чем молотый кварцевый песок, но при увеличении ее удельной поверхности её активность повышается. Стеклобой напротив даже при тонком измельчении проявляет слабую активность, но гидравлическая активность данного компонента проявляется на всем протяжении твердения гипсоцементной композиции.
Таким образом, после предварительных исследований по определению влияния домола на активность компонентов, а также отдельных испытаний по определению необходимости и доли кремнеземистого компонента в составе вяжущего, проводилось определение оптимального соотношения величин кремнеземистая добавка/цемент. Иначе говоря, определение минимально необходимого содержания композиции, состоящей из портландцемента, кремнеземистой добавки, суперпластификатора (ПКС), в составе композиционного гипсового вяжу-
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2022. № 3 (18)
щего вещества. Это количество композиции должно быть таким, чтобы максимально заполнять пустоты в затвердевшем гипсовом камне. По расчету для принятого в исследованиях гипсового вяжущего пористость колеблется в пределах 33 - 42% в зависимости от начального водосодержания. Абсолютный объем композиции (ПКС) из уравнения абсолютных объемов в данном случае будет равен 15 - 24 %. В результате расчетов получили, что содержание композиции в композиционном гипсовом вяжущем должно составлять 16 - 21 % по массе от всего вяжущего. Содержание портландцемента приято в пределах 10 -15 % от массы КГВ, а количество композиции (20 - 40 %). Для сравнения были проведены исследования с содержанием композиции до 50 %. Результаты определения свойств композиционных гипсовых вяжущих приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 - Результаты водосодержания КГВ
Состав вяжущего, % по массе Нормальная густота
Вид добавки m го гипсо- состав композиции
С 0 и 01 Z вое вяжущее портландцемент кремнеземистая добавка С-3
керамзитовая пыль К1 79 10 10 1 0,41
К2 69 10 20 1 0,36
К3 69 15 15 1 0,35
К4 54 15 30 1 0,38
С1 78 10 11 1 0,33
стекло- С2 68 10 21 1 0,35
бой С3 67 15 17 1 0,35
С4 52 15 32 1 038
Нормальная густота приведенных составов композиционного гипсового вяжущего соответствует водовяжущему отношению, обеспечивающему расплыв цилиндра по ГОСТ 23789 - 2018, равном 180 ± 5 мм.
Таблица 3 - Основные физико-механические свойства КГВ
№ состава Прочность на сжатие, МПа, в возрасте Средняя плотность, г/см3, в возрасте 28 сут. Коэффициент размягчения
X 7 сут. £ и оо
К1 5,0 7,9 12,3 1,65 0,68
К2 5,2 11,7 14,2 1,69 0,72
К3 5,0 9,1 15,3 1,71 0,72
К4 4,8 13,4 16,4 1,70 0,75
С1 6,3 10,5 15,1 1,69 0,66
С2 6,2 10,3 16,3 1,69 0,69
С3 5,7 11,7 16,8 1,73 0,72
С4 4,1 10,4 16,8 1,72 0,67
Следует отметить, что все составы композиционных гипсовых вяжущих, содержащие 1 % суперпластификатора С-3, характеризуются повышенным
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
коэффициентом размягчения (0,65 - 0,72), в то время, как составы без суперпластификатора имели коэффициент размягчения 0,45 - 0,60.
Полученные составы КГВ, % по массе:
1) с керамзитовой пылью: строительный гипс 54%, портландцемент 15%, керамзитовая пыль 30%, пластификатор С-3 1%;
2) с тонкомолотым стеклобоем: строительный гипс 67%, портландцемент 15%, тонкомолотый стеклобой 17%, пластификатор С-3 1%.
Обсуждение
Необходимо отметить, что увеличение гидравлического комплекса в составе КГВ до 50% приводит к повышению прочности на сжатие в возрасте 28 суток, при этом начальная прочность (стандартный срок испытания строительного гипса на прочность 2 ч) наоборот снижается. Это объясняется тем, что начальную прочность обеспечивает количество быстротвердеющего гипсового вяжущего и его активность, а прочность в более поздние сроки твердения определяет гидравлический компонент (ПКС) и его характеристики.
Для получения оптимальной структуры необходимо в дальнейшем дополнительная оптимизация составов по содержанию портландцемента, т.к. увеличение содержания портландцемента в комплексе и дополнительная активизация цемента также будет способствовать повышению прочности и водостойкости вяжущего.
Заключение
В ходе проведения исследований установлены составы композиционных гипсовых вяжущих, содержащих строительный гипс, комплекс из портландцемента, кремнеземитых добавок (керамзитовой пыли или стеклобоя), суперпластификатора С-3. Данные составы позволяют получить комплексное гипсовое вяжущее с прочностью на сжатие при длительном твердении (в возрасте 28 суток) до 16 МПа.
Полученные композиционные гипсовые вяжущие могут расширить область применения строительного гипса, а также позволяют частично решить проблему утилизации отходов промышленности, в частности керамзитовой пыли и стеклобоя.
Библиографический список
1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные минеральные вяжущие материалы. - М.: Инфра-Инженерия. 2011. 544 с.
2. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат. 1979. 476 с.
3. Нечаева Е.Ю., Тугушев Р.А., Уруев В.М. Модификация свойств строительного гипса // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. № 1 - 2. С. 107 - 113.
4. Гайфуллин А.Р., Халиуллин М.И., Рахимов Р.З. Строительный гипс с добавками керамзитовой пыли // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 2(20). С. 166 - 171.
5. Хлыстов А.И. Экологические аспекты утилизации отходов керамзитового производства в составах материала обществроительного и специального назначения / А.И. Хлыстов [и др.] // Башкирский химический журнал. 2014. Т.21. №4, С. 116 - 123.
6. Соков В. Н. Отходы стеклобоя и полистирола в качестве сырья при производства строительных материалов / В. Н. Соков, А. Ю. Логунин, А. А. Егорова // Инновационная наука в глобализующемся мире. 2015. № 1(2). С. 112 - 114.
7. Прудков Е. Н., Кузьмина С.В. Оптимизация составов и исследование свойств модифицированных эпоксидных композитов // Известия Тульского государственного
университета. Технические науки. 2010. № 4 - 2. С. 117 -124.
8. Ерофеев В.Т., Богатов А.Д., Богатова С.Н., Казначеев С.В. Строительные материалы на основе отходов стекла // Вестник Мордовского университета. 2008. № 4. С. 70 - 79.
9. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Зейфман М.И., Тотур-биев Б.Д. Жаростойкие бетоны на основе композиций из природных и техногенных стекол. - М.: Стройиздат. 1986. 144 с.
10. Гайфуллин А. Р. Исследования свойств строительного гипса с добавкой молотой керамзитовой пыли / А. Р. Гайфуллин, М. И. Халиуллин, М. И. Нуриев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2013. Т. 2. № 71. С. 210 - 212.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 05.04.2022; одобрена после рецензирования 01.07.2022; принята к публикации 15.07.2022.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 05.04.2022; approved after reviewing 01.07.2022; accepted for publication 15.07.2022.
