CC BY
11
УДК 666.973.6
Костенко А.Р., Сивков С.П.
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПЕНОГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО
Костенко Антон Романович, студент 1 курса магистратуры факультета химической технологии вяжущих и композиционных материалов, e-mail: kostenko.anton@mail.ru;
Сивков Сергей Павлович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой химическая технология композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Методом симплекс-планирования эксперимента подобран состав гипсовой вяжущей системы, отвечающий максимальным прочностным характеристикам. С помощью органоминеральных добавок проведена модификация полученной композиции и изучены ее физико-механические свойства.
Ключевые слова: метакаолин, водостойкость, пеногипс, минеральные добавки, пенообразователь.
DEVELOPMENT OF CONSTRUCTION-THERMAL INSULATION MATERIAL BASED ON FOAM GYPSUM BENDING
Kostenko A.R., Sivkov S.P.
D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
By the method of simplex-planning of the experiment, the composition of the gypsum binding system was selected, which corresponds to the maximum strength characteristics. With the help of organomineral additives, the obtained composition was modified and its physical and mechanical properties were studied.
Key words: metakaolin, water resistance, foam gypsum, mineral additives, foam agent.
В настоящее время для строительства сооружений разного назначения вместо традиционного цементного вяжущего все чаще используется гипс. Его применение обосновано рядом причин, а именно: производство гипса нетоксично, менее энергетически затратное (расход топлива в 4 раза меньше, по сравнению с цементным производством). Гипсовые материалы
характеризуются хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, огнестойки и пожаробезопасны, а так же обладают прекрасными отделочными свойствами и архитектурной выразительностью. Однако, наряду с преимуществами, гипсовые системы демонстрируют и отрицательные стороны. Прежде всего стоит выделить их низкую водостойкость, которая проявляется в неспособности выдерживать эксплуатацию во влажных условиях среды. Падение прочности при увлажнении позволяет применять гипс только для внутренней отделки зданий. Кроме того, гипсовые вяжущие характеризуются невысокой прочностью (25 МПа для марки Г-25) и короткими сроками схватывания (2-10 мин). Ввиду вышесказанного целесообразно применение гипсовой системы с добавлением цемента и активной минеральной добавки (АМД). Такие гипсоцементно-пуццолановые вяжущие имеют большую прочность и долговечность по сравнению с гипсовыми материалами, и могут применяться для
наружных работ, строительства небольших жилых и технических сооружений.
Перспективным направлением в современном строительстве является теплоизоляция конструкций, причем, помимо теплоизоляции готовых сооружений, ведутся разработки конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов, которые, кроме обеспечения несущей способности, либо не требуют дальнейшей теплоизоляции, либо минимизируют затраты на нее [1,2]. Такие материалы называют ячеистыми, ввиду их развитой пористой структуры. Принципиальная разница состоит в действии порообразователя; в газобетоне поры создаются за счет выделение газовой фазы одним из компонентов смеси (как правило используется алюминиевая пудра), тогда как в пенобетоне поры образуются за счет вовлечения воздуха из окружающей среды. Простота изготовления пенобетона делает его производство более доступным в отличии от его конкурента, который изготавливается на заводах при помощи специализированного оборудования.
В настоящей работе была изучена возможность получения пенобетона на основе гипсоцементно-пуццоланового вяжущего.
Для подбора состава ГЦПВ использовался метод симплекс планирования эксперимента. Матрица планирования эксперимента представлена на рисунке 1.
Таблица 1. План эксперимента
О
б
Рисунок 1 Матрица планирования эксперимента
В качестве независимых переменных использовались:
- содержание гипса (Xi), масс.%: min - 50, max - 70;
- содержание цемента (X2), масс. %: min - 20, max -40;
- содержание АМД (X3), масс. %: min - 10, max -20;
Уравнение регрессии (1), представляющее собой зависимость свойства материала (прочность, объемный вес) от его состава, для данного плана представляется в виде:
Y = aiXi + a2X2 + азХз + a4XÄ + a5XÄ +
абХ2Хз + a7XiX2X3 (1)
где а1 ... а7 - коэффициенты уравнения регрессии; X1, X2 и X3 - условное содержание соответствующего компонента (соответственно, гипса, цемента и АМД) в смеси, относительны единицы.
Составы исследованных композиций (в условных и реальных координатах) представлены в таблице 1.
Целью данного эксперимента был подбор состава, отвечающего максимальным прочностным характеристикам конечного материала.
Установлено, что в ранние сроки твердения (до 3-х суток) прочность материала пропорциональна содержанию гипса в составе смеси. Однако после 3 суток твердения на свойства материала все большее влияние начинает оказывать портландцемент, а также продукты взаимодействия портландцемента и АМД - гидросиликаты кальция.
№ опыта Условные координаты Состав материала, масс.%
X1 X2 X3 Г Ц Д
1 1 0 0 70 20 10
2 0 1 0 50 40 10
3 0 0 1 55 25 20
4 0,5 0,5 0 60 30 10
5 0 0,5 0,5 55 30 15
6 0,5 0 0,5 60 25 15
7 0,33 0,33 0,33 58 29 13
Где Г, Ц и Д- гипс, цемент, АМД соответственно
Расчет по уравнению регрессии показал, что максимальными прочностными характеристиками в возрасте 28 суток будет обладать материал, близкий по составу к смеси № 7 (далее - состав 1.1), который и был использован для дальнейших исследований. Основные характеристики материала: прочность при сжатии - 23 МПа, при изгибе - 6 МПа, объемный вес - 1520 кг/м3, коэффициент водостойкости - 0,63.
Полученный состав ГЦПВ не является водостойким, быстро схватывается и имеет невысокую марочную прочность. Поэтому, на следующем этапе работы была проведена модификация состава при помощи специальных функциональных добавок.
Для увеличения сроков схватывания в качестве добавки использовалась винная кислота. Опытным путем была выбрана концентрация кислоты 0,025 % от массы композиции, обеспечивающая оптимальные для работы с материалом сроки схватывания: начало -17,5 минут; конец- 21 минута. Основываясь на исследованиях [3,4], для повышения Кр и прочности материала были применены пластификаторы МеШих 2651Б (состав 1.2), Б1ка У18соСге1е 225 УР (состав 1.3), которые добавлялись к составу с подобранной концентрацией замедлителя схватывания. При определении свойств материала изготавливались образцы из теста стандартной консистенции (величина расплыва теста на приборе Суттарда 180 мм).
Свойства полученных составов представлены в таблице 2.
Таблица 2. Строительно-технические свойства раствора и затвердевшего камня
Состав Спл, % Сроки схватывания, мин В/Т Прочность на сжатие/изгиб, МПа Pv, кг/м Кр W, %
2 часа 1 сутки 7 сутки 28 сутки
1.1 - Н-3,5;К-7,0 0,50 3,4/2,7 8,5/4,1 10,6/5,5 23,1/6,1 1520 0,63 14,4
1.2 0,29 Н-17,5;К-21 0,33 5,6/2,8 13,8/4,7 23,4/6,3 39,3/6,5 1760 0,76 5,5
1.3 0,18 Н-17,5;К-21 0,33 5,0/2,8 14,3/4,5 24,8/6,2 43,9/5,6 1780 0,7 5,1
Где Спл, Кр и Ш - концентрация пластификатора, коэффициент размягчения и водопоглощение материала соответственно
Как видно из полученных результатов, добавки -модификаторы увеличивают марочную прочность материала на 70%. Коэффициент водостойкости с добавлением пластификаторов Melflux 5521 F и Sika 225 увеличивается с 0,64 до 0,76 и 0,70 соответственно. Водопоглощение материала снижается с 15 до 5 %, что коррелирует с увеличением объёмного веса и указывает на уменьшение пористости материала. Полученный материал нельзя отнести к водостойким, так как Кр < 0,8. Планируется провести дополнительное модифицирование смеси добавкой РПП (редиспергируемый полимерный порошок) Vinnapas 8031Н, который обладает гидрофобизирующим эффектом и снижает проникновение воды в материал.
На заключительном этапе работы планируется провести серию опытов, направленных на создание пеногипсового материала. За основу будет взят разработанный ранее состав
гипсоцементнопуццоланового вяжущего,
модифицированный полимерами и отвечающий требованиям по необходимым физико-механическим свойствам. В качестве пенообразователя будут использованы 3 марки порообразователей : ASCO 93 (Анионный ПАВ), Esapon 1214 (Лаурил сульфат натрия) и Esapon 1850 (Неионогенный ПАВ).
Свойства пор сильно зависят от способа приготовления пеноматериала (режим замешивания, скорость вращения лопастей миксера, способ введения порообразователя и др.). Ввиду
неустойчивости системы, целесообразно
исследовать кратность (отношение объема пены к объему раствора пенообразователя, содержащегося в ней) и стойкость пены
(свойство пены длительное время сохранять свою структуру без разрушения).
Авторы выражают благодарность ООО «Метакрит» за предоставление необходимого оборудования и материалов.
Список литературы
1) Петропавловская В. Б. и др. Пеногипсовые материалы на основе протеинового пенообразователя Шарог //Интернет-вестник ВолгГАСУ. - 2014. - №. 2. - С. 7-7.
2) Садуакасов М. С., Шойбекова А. М., Токмаджешвили Г. Г. Монолитная теплоизоляция на основе быстротвердеющей легкобетонной смеси //Технологии бетонов. - 2016. - №. 1-2. - С. 27-29.
3) Нуриев М. И. и др. Влияние пластифицирующих добавок на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего //Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - №. 6.
4) Сивков С. П. и др. Влияние полимерных добавок на свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего с метакаолином в качестве активной минеральной добавки //Сухие строительные смеси. -2014. - №. 3. - С. 20-23.
