CC BY
18УДК 666.913
М.Ю. ДРЕБЕЗГОВА, инженер
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Реологические свойства системы «композиционное гипсовое вяжущее - суперпластификатор - вода»
Приведены результаты исследований реологических характеристик смесей на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ), включающего гипсовые вяжущие а-модификации Г-5Б11 (Г-5) и р-модификации ГВВС-16 (Г-16), портландцемент ЦЕМ I 42,5Н, многокомпонентные тонкодисперсные минеральные добавки и поверхностно-активную добавку на базе лигносульфонатов и модифицированных поликарбоксилатов SikaPlast 2135. Улучшение вязкопластических свойств наблюдается при дозировке СП 0,3-0,5%, что позволяет снизить предел текучести почти до нуля и в несколько раз уменьшить эффективную вязкость. Дозировки СП выше оптимальных определяют влияние на прочность гипсоцементного камня, сопровождающееся снижением водопотребности КГВ и среднего размера пор гипсоцементного камня. При дозировках СП, которые не превышают оптимальных, определяющее влияние на прочность гипсоцементного камня оказывает его дефлокулирующее действие, что сопровождается снижением его водопотребности КГВ и среднего размера пор материала. При увеличении дозировки сверх того количества, которое вызывает полное разрушение флоккул исходной суспензии, снижается прочность гипсоцементного камня в результате блокирования СП кристаллизационных связей. Суммарный эффект зависит от того, какой из этих факторов преобладает при его введении.
Ключевые слова: композиционное гипсовое вяжущее, суперпластификатор, лигносульфонат, поликарбоксилат, реологические свойства.
Для цитирования: Дребезгова М.Ю. Реологические свойства системы «композиционное гипсовое вяжущее - суперпластификатор - вода» // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 68-70.
M.Yu. DREBEZGOVA, Engineer
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, 308012, Belgorod, Russian Federation)
Rheological Properties of the System «Composite Gypsum Binder - Superplasticizer - Water»
Results of the study of rheological characteristics of mixes on the basis of the composite gypsum binder (CGB), which includes gypsum binders of a-modification G-5BP (G-5) and P-modification GVVS-16 (G-16); Portland cement TSEM 1 42.5N, multi-component fine-dispersed mineral additives and a surface-active additive on the base of lingo-sulfates and modified polycarboxylates SikaPlast 2135, are presented. The improvement in viscoplastic properties is observed at the SP dosage of 0.3-0.5%, this makes it possible to reduce the point of fluidity almost to zero and reduce the effective viscosity by several times. Dosages of SP over the optimum level determine the influence on the strength of gypsum-cement stone accompanied by reduction in water demand of CGB and the average size of pores of the gypsum cement stone. At dosages of SP which are not over the optimal, a decisive influence on the strength of gypsum cement stone has its deflocculating action which is accompanied by the reduction in water demand of CGB and the average size of pores of gypsum cement stone. When increasing the dosage over the amount that causes the complete destruction of floccules of the initial suspension, the strength of gypsum cement stone is reduced due to blocking SP crystallization ties. The total effect depends on which of these factors prevails when introducing it.
Keywords: composite gypsum binder, superplasticizer, lignosulfonate, polycarboxylite, rheological properties.
For citation: Drebezgova M.Yu. Rheological properties of the system «composite gypsum binder - superplasticizer - water». Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 12, pp. 68-70. (In Russian).
Важнейшими показателями гипсобетонных смесей, которые определяют качество изделий из гипсобетона, являются реологические и технологические характеристики, в частности сохранение жизнеспособности (текучести смеси), возможности регулирования сроков за-густевания и схватывания в необходимых пределах, а также способности сохранять определенные реологические параметры в течение всего процесса приготовления бетонных смесей [1—4]. Использование подвижных гипсобетонных смесей, обладающих связностью, однородностью и нерасслаиваемостью, позволяет сократить продолжительность производственного цикла и улучшить качество изделия.
Представление о поведении гипсоцементных систем при воздействии на них внешних сил дает реологическая кривая (рис. 1).
При небольших значениях напряжения сдвига т сохраняется неразрушенная первоначальная структура, которая характеризуется наибольшей вязкостью т|0. После достижения критического напряжения то, соответствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры, которое продолжается до полного разрушения при предельном напряжении тт.
После того как система предельно разрушена, смесь имеет наименьшую вязкость системы пт с практически полностью разрушенной структурой. Эта вяз-
кость уже не зависит от значений действующих напряжений и не изменяется при их увеличении.
В данной работе исследованы реологические характеристики смесей на основе композиционного гипсового вяжущего (КГВ), включающего гипсовые
т, Па
Рис. 1. Реологические параметры суспензии
Results of scientific research
с 50-
40-
■8-■8-
CO
30-
10-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 б Градиент скорости, с-1
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Градиент скорости, с-1
—КГВ без добавки; КГВ + 0,1% СП;
- КГВ + 0,3% СП;
■ — - КГВ + 0,5% СП
Рис. 2. Зависимость реологических характеристик гипсоцементных паст от концентрации СП SikaPlast 2135: а - зависимость эффективной вязкости от градиента скорости сдвига; б - зависимость напряжения сдвига от градиента скорости сдвига
вяжущие а-модификации Г-5БП (Г-5) и р-модифи-кации ГВВС-16 (Г-16); портландцемент ЦЕМ I 42,5Н и многокомпонентные тонкодисперсные минеральные добавки. В качестве минеральных добавок использованы отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС), отличающиеся полиминеральным составом с содержанием в них кварца различной степени кристалличности более 70%; нанодисперсный порошок кремнезема (НДП) с содержанием SiO2 до 99,72%, полученный путем выделения из природных гидротермальных источников вулканогенных областей, со средним размером частиц в диапазоне 5—100 нм, удельной поверхностью 100000—400000 м2/кг, средним дзета-потенциалом поверхности наночастиц -25—56 мВ; мел технический дисперсный марки МТД-2 с остатком на сите № 014 не более 0,8%, содержанием СаСО3 не менее 96%.
Для пластификации смеси и регулирования сроков схватывания использовали поверхностно-активную добавку на базе лигносульфонатов и модифицированных поликарбоксилатов SikaPlast 2135 (плотно-
стью 1,13 г/л) в количестве 0,1—0,5% от массы КГВ. Контрольной являлась смесь на КГВ без химической добавки. На ротационном вискозиметре RHEOTEST RN 4.1 фиксировались вязкость, напряжение сдвига, градиент скорости сдвига и время. Температура окружающего воздуха и смеси составляла 24,90С.
В результате испытаний (табл. 1) было установлено, что дозировка суперпластификатора SikaPlast 2135 (0,1—0,5% от массы КГВ) позволяет на 19% снизить водовяжущее отношение (В/В) практически без изменения прочности равноподвижных смесей благодаря поверхностной адсорбции и созданию эффекта межмолекулярного электростатического и стериче-ского отталкивания частиц КГВ. Параллельно протекает процесс взаимодействия полимера с фазами КГВ и тем самым в 3 раза замедляется преждевременное схватывание вяжущего до 22—20 мин.
Анализ реотехнологических зависимостей КГВ показал (табл. 2, рис. 2), что по мере повышения дозировки SikaPlast 2135 (от 0,1 до 0,5%) разжижение смеси увеличивается, изменяется классический тик-сотропный характер реологических кривых концентрированных гипсоцементных паст, что вызвано существенным снижением их эффективной вязкости (в 1,8—6,9 раза) и напряжения сдвига (в 2,5—4,2 раза).
Эффективная вязкость неразрушенной структуры т|0 и предельное напряжение сдвига тт паст на КГВ с добавкой SikaPlast 2135 зависят от градиента скорости сдвига у. В пределах от 30 до 50 с-1 эффективная вязкость значительно снижается, а потом стабилизируется с величиной почти постоянной (рис. 2, а). При этом реограм-мы становятся прямолинейными, что свидетельствует об очень слабом взаимодействии между частицами вяжущего в результате прочной адсорбции молекул СП на его частицах с образованием слоев реагента, вызывающих более сильное уменьшение эффективных столкновений между твердыми частицами [5—7].
В области низкой дозировки СП SikaPlast 2135 (0,1%) течение суспензий на КГВ происходит в соответствии с уравнением Балкли—Гершеля:
т = то + m.yn
(1)
где то — предельное напряжение сдвига; у — градиент скорости сдвига; т, п — константы.
Однако предел текучести (предельное напряжение сдвига) при этом уменьшается до 70 Па в сравнении со смесью на КГВ без суперпластификатора SikaPlast 2135.
При дальнейшем увеличении количества суперпластификатора SikaPlast 2135 (до 0,3—0,5%) характер течения резко меняется, так как предел текучести практически исчезает, гипсоцементное тесто теряет свои пластические свойства и становится тиксотроп-ным вязкопластическим материалом.
Таблица 1
Влияние добавки SikaPlast 2135 на свойства затвердевшего КГВ
а
SikaPlast 2135, % В/В Расплыв, м Сроки схватывания, мин-с Прочность при сжатии, МПа, в сроки
начало конец 2 ч 7 сут 28 сут
- 0,5 0,145 6-20 6-50 7,5 8,4 20,6
- 0,55 0,2 7-30 8-00 5,2 6,8 14,2
0,1 0,46 0,15 10-30 14-30 5,7 7,3 15,5
0,3 0,2 16-00 18-10 5,6 7,1 14,8
0,5 0,22 22-20 23-00 5,3 6,7 14
JJ. ®
декабрь 2017
69
Таблица 2
Реологические характеристики гипсоцементных паст
Концентрация SikaPlast 2135, % Предельное напряжение сдвига тт, Па Вязкость неразрушенной структуры ппл, Па-с
0 550 60
0,1 220,3 33,22
0,3 170 24,52
0,5 130 8,71
Полученные реограммы можно описать с помощью уравнения Оствальда:
т = Ип, (2)
где к — коэффициент консистенции смеси; у - градиент скорости сдвига; п — показатель поведения жидкости (нелинейности).
Таким образом, добавление СП SikaPlast 2135 до 0,1% незначительно снижает предел текучести и пластическую вязкость суспензии. При этом она сохраняет свойства нелинейного вязкопластического материала.
Существенное улучшение вязкопластических свойств наблюдается при дозировке СП SikaPlast 2135 0,3—0,5%, что позволяет снизить предел текучести почти до нуля и в несколько раз уменьшить эффективную вязкость.
Данное явление обусловлено высвобождением иммобилизованной воды, увеличением толщины водных прослоек между частицами и уменьшением трения
между ними, а также падением прочности индивидуальных контактов между частицами. СП SikaPlast 2135 оказывает влияние на флокулообразование и число кристаллизационных и конденсационных связей в единице объема гипсоцементного камня прежде всего на наиболее энергетически активные участки поверхности частиц, где в отсутствие СП наблюдаются более прочные контакты между ними. В то же время СП SikaPlast 2135, адсорбируясь на межфазных поверхностях, снижает прочность каждой связи.
При дозировках СП, которые не превышают оптимальных, определяющее влияние на прочность гипсо-цементного камня оказывает его дефлокулирующее действие, что сопровождается снижением водопо-требности КГВ и среднего размера пор гипсоцемент-ного камня.
При увеличении дозировки сверх того количества, которое вызывает полное разрушение флоккул исходной суспензии, снижается прочность гипсоцементно-го камня в результате блокирования СП кристаллизационных связей. Суммарный эффект зависит от того, какой из этих факторов преобладает при его введении.
Таким образом, величина предельного напряжения сдвига т0, характеризующая способность системы растекаться под действием силы тяжести, дает такую же информацию, как и расплыв конуса. Кроме того, при помощи метода ротационной вискозиметрии можно определять подвижность системы при внешних механических воздействиях, которые превышают величину предельного напряжения сдвига, что обычно наблюдается в бетонных смесителях. Уменьшение пластической вязкости способствует снижению нагрузки на электродвигатель бетонного смесителя.
Список литературы
1. Дребезгова М.Ю. Особенности гидратации композиционного гипсового вяжущего в присутствии суперпластификатора SikaPlast 2135 // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 5. С. 20-23.
2. Чернышева Н.В. Использование техногенного сырья для повышения водостойкости композиционного гипсового вяжущего // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 53-56.
3. Белов В.В., Бурьянов А.Ф., Яковлев Г.И., Петропавловская В.Б., Фишер Х.-Б., Маева И.С., Нови-ченкова Т.Б. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция. М.: Де Нова, 2012. 196 с.
4. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Полянских И.С., Керене Я., Фишер Х.-Б., Рахимова Н.Р., Бурьянов А.Ф. Гипсовые композиции с комплексными модификаторами структуры // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 90-95.
5. Скуянс Ю.Р., Чугуев А,С., Хоромецкий В.Г. Исследование реологических свойств гипсовых смесей с добавками поверхностно-активных веществ // Труды Латвийской СХА. Строительные материалы и конструкции для сельского строительства. 1984. Вып. 209. С. 19-23.
6. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 256 с.
7. Урьев Н.Б. Динамика структурированных дисперсных систем // Коллоидный журнал. 1998. Т. 60. № 5. С. 662-683.
References
1. Drebezgova M.Yu. Features of hydration composition plaster knitting in the presence of superplasticizer Sika Plast 2135. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova. 2017. No. 5, pp. 20—23. (In Russian).
2. Chernysheva N.V. The Use of Anthropogenic Raw Materials for Increase ofWater Resistance of a Composite Gypsum Binder. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 7, pp. 53-56. (In Russian).
3. Belov V.V., Burianov A.F., Yakovlev G.I., Petropavlov-skaya V.B., Fisher H.-B., Maeva I.S., Novichenkova T.B. Modifikatsiya struktury i svoistv stroitel'nykh kompozitov na osnove sul'fata kal'tsiya [Modification of structure and properties of structural composites on the basis of calcium sulfate]. Moscow: De Nova. 2012. 196 p.
4. Gordina A.F., Yakovlev G.I., Polyanskikh I.S., Kere-ne J., Fisher H.-B., Rakhimova N.R., Bur'yanov A.F. Gypsum Compositions with Complex Modifiers of Structure. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 1-2, pp. 90-95. (In Russian).
5. Skuyans, Yu.R., Chuguev A, S., Horometskiy V.G. Investigation of the rheological properties of gypsum mixtures with additives of surfactants. Proceedings of the Latvian Academy of Agricultural Sciences. Building materials and structures for rural construction. 1984. Issue 209, pp. 19-23. (In Russian).
6. Uryev N.B. Fiziko-khimicheskie osnovy tekhnologii dis-persnykh sistem i materialov [Physicochemical foundations of dispersed systems and materials technology]. Moscow: Khimiya. 1988. 256 p.
7. Uryev N.B. Dynamics of structured disperse systems. Kollo-idnyi zhurnal. 1998. Vol. No. 5, pp. 662-683. (In Russian).
