CC BY
31УДК 666.914
В.Б. ПЕТРОПАВЛОВСКАЯ1,канд. техн. наук, Т.Б. НОВИЧЕНКОВА1, канд. техн. наук;
А.Ф. БУРЬЯНОВ2, д-р техн. наук; Х.-Б. ФИШЕР3, д-р-инженер; К.С. ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ1, инженер
1 Тверской государственный технический университет (170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22)
2 Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
3 Веймарский строительный университет (99423, Германия, г. Веймар, Гешвистер-Шолл штр., 8)
Самоармированные гипсовые композиты
С целью повышения физико-механических характеристик гипсовых материалов и изделий исследовалась возможность их самоармирования за счет формирования в гипсовой матрице кристаллов волокнистого эттрингита. Приведены результаты исследований влияния щелочности поровой жидкости на морфологию получаемых кристаллов эттрингита. В качестве комплексной добавки использовались растворы сернокислого алюминия и гидроксида кальция. Установлено, что фактором, регламентирующим количество образующегося эттрингита, является раствор сернокислого алюминия. Также исследованы процессы кристаллизации дисперсных систем. Анализ микроструктуры модифицированного гипсового камня показал, что в случае использования комплексной добавки структура композита состоит из таблитчатых кристаллов гипса и игольчатых кристаллов эттрингита. Установлено, что использование комплексной добавки на основе сернокислого алюминия и гидроксида кальция позволяет повысить прочность гипсовых материалов более чем на 80% без значительной потери плотности.
Ключевые слова: гипсовая матрица, эттрингит, модифицирующая добавка.
V.B. PETROPAVLOVSKAYA1, Candidate of Sciences (Engineering), T.B. NOVICHENKOVA1, Candidate of Sciences (Engineering); A.F. BURIANOV2, Doctor of Sciences (Engineering); H.-B. FISHER3, Doctor-Engineer; K.S. PETROPAVLOVSKY1, Engineer
1 Tver State Technical University (22, Afanasiya Nikitina Embankment, 170026, Tver, Russian Federation)
2 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Highway, 129337, Moscow, Russian Federation)
3 Bauhaus-Universität Weimar (8, Geshvister-Sholl Street, Weimar, 99423, Germany)
Self-Reinforcing Gypsum Composites
With the purpose to improve physical and mechanical characteristics of gypsum materials and products the possibility of their self-reinforcement due to the formation of crystal of fibrous ettringite in the gypsum matrix has been studied. Results of the study of influence of pore liquid alkalinity on the morphology of ettringite crystals obtained are presented. Solutions of aluminum sulphate and calcium hydroxide were used as a complex additive. It is established that the solution of aluminum sulfate is a factor regulating the quantity of ettringite generated. Processes of crystallization of disperse systems are also studied. An analysis of microstructure of modified gypsum stone shows that in case of the use of the complex additive the composite structure consists of tabular crystals of gypsum and needle-shaped crystals of ettringite. It is established that the use of the complex additive on the basis of aluminum sulfate and calcium hydroxide makes it possible to increase the strength of gypsum materials by over 80% without significant loss of density. Keywords: gypsum matrix, ettringite, modifying additive.
Широкое применение в зарубежном производстве строительных материалов и изделий гипсовых вяжущих обусловлено совокупностью ряда положительных, а во многом и уникальных свойств, присущих только гипсу [1, 2].
Расширение области применения гипсовых составов в производстве стеновых изделий возможно за счет повышения их физико-механических и эксплуатационных характеристик, в том числе путем армирования добавками разной природы, формы и размера [3—8].
В целях повышения физико-механических характеристик гипсового камня в работе исследовалась возможность самоармирования композиций на основе полугидрата сульфата кальция за счет формирования в гипсовой матрице кристаллов волокнистого эт-трингита.
Известно, что в дисперсной системе сульфата кальция на наноструктурном уровне путем управления процессом кристаллизации возможно образование игольчатых и призматических кристаллов гидросульфоалю-минатов кальция, упрочняющих структуру гипса.
Размеры кристаллов эттрингита определяются величиной рН поровой жидкости. При высоком содержании гидроксида кальция в гипсовой системе гидратацион-ного твердения (рН«13) эттрингит образуется только в виде высокодисперсных кристаллов [9, 10]. При пониженном содержании Са(ОН)2 (рН«10,5) эттрингит образуется в виде игольчатых, протяженных кристаллов. Следовательно, оптимальное содержание гидроксида позволит упрочнить структуру гипсовой матрицы за счет формирования протяженных нитевидных (игольчатых) кристаллов эттрингита, образующихся одномоментно с кристаллами дигидрата сульфата кальция.
В работе в качестве основного компонента применяли гипсовое вяжущее ß-модификации марки Г-5 AI Пешеланского гипсового завода Нижегородской области «ДЕКОР-1», а также растворы сернокислого алюминия и гидроксида кальция. Щелочность растворов оценивали по величине рН на рН-метре.
Влияние индивидуальных растворов сернокислого алюминия, и гидроксида кальция и комплексной модифицирующей добавки на их основе на свойства гипсовой матрицы оценивали по величине предела прочности при сжатии и средней плотности на образцах-кубах с размером ребра 70,7 мм в возрасте 3 сут. Испытания по оценке прочности на гидравлическом прессе проводились на образцах в воздушно-сухом состоянии. Плотность гипсового камня определялась по стандартной методике. Морфологию кристаллов на стекле оценивали с помощью цифрового микроскопа DM200-2 QIDDYCOME, также для исследования микроструктуры модифицированной гипсовой композиции использован растровый электронный микроскоп университета материаловедения Bauhaus Universität (Веймар, Германия).
Ввиду того что при варьировании содержания индивидуальных растворов в составе смеси можно регулиро-
Таблица 1
Значения рН для индивидуальных растворов
рН воды рН гидроксида кальция рН сернокислого алюминия рН гипсовой суспензии
5,35 12,24 3,35 9,07
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2014
19
Материалы VII Международной конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»_
Таблица 2
Зависимость рН от концентрации раствора сернокислого алюминия
рН раствора Содержание гидроксида кальция, % (по объему)
3,35 0
3,66 50
Таблица 3
Зависимость рН раствора от содержания сернокислого алюминия
рН раствора Содержание раствора гидроксида кальция, % (по объему)
3,32 0
3,71 50
вать процесс образования эттрингита в системе, в работе исследовались изменения щелочности среды в зависимости от концентрации индивидуальных растворов сернокислого алюминия и гидроксида кальция (табл. 1).
Полученные данные показывают, что исследованные индивидуальные растворы различаются по показателям щелочности среды, которая в дальнейшем, возможно, будет определять структурные особенности кристаллизации вещества из растворов в составе гипсовых композиций.
Результаты исследований влияния концентрации раствора сернокислого алюминия на pH представлены в табл. 2. Результаты исследований влияния концентрации раствора сернокислого алюминия на pH представлены в табл. 3.
Данные результатов испытаний щелочности среды в зависимости от концентрации растворов показали, что при смешивании индивидуальных растворов рН изменяется, но незначительно. Щелочная среда раствора гидроксида кальция нейтрализуется раствором сернокислого алюминия, так как насыщенный раствор сернокислого алюминия обладает большей концентрацией, чем раствор гидроксида кальция, поэтому фактором, регламентирующим количество образующегося эттрингита, является раствор сернокислого алюминия.
На основе результатов исследований применяемых добавок по щелочности были исследованы процессы кристаллизации дисперсных систем на основе индивидуальных растворов и их смесей.
Полученные результаты исследования влияния добавок на твердение гипсовых композиций и физико-механические характеристики материала показали, что
Л
г
Рис. 2. Кристаллизация дигидрата с добавлением гидроксида кальция из раствора на стекле
Рис. 1. Сравнительные характеристики прочности в зависимости от состава гипсовой композиции: 1 - с добавкой гидроксида кальция; 2 - с комплексной добавкой; 3 - без добавок
наибольшей прочностью обладают образцы на основе полуводного гипса с комплексной наномодифицирую-щей добавкой (рис. 1). Образцы с добавкой гидроксида кальция, как и бездобавочные, характеризуются несколько меньшей прочностью, что обусловлено увеличением количества контактов в единице объема кристаллизующегося вещества в случае самоармирования волокнами эттрингита.
Анализ микроструктуры показал, что при применении добавки гидроксида кальция максимальная плотность образцов обусловлена образованием пористой структуры на начальной стадии твердения (рис. 2), которая в дальнейшем уплотняется за счет перекристаллизации тонкодисперсных частичек дигидрата (рис. 3). В случае использования комплексной добавки структура композита состоит из таблитчатых кристаллов гипса и игольчатых кристаллов эттрингита (рис. 4) с характерным их скоплением в области пустот кристаллической решетки.
Сравнительный анализ свойств гипсовых композиций (рис. 1, рис. 5) показал, что при модификации гипсовой матрицы комплексной добавкой в отличие от бездобавочных и модифицированных гидроксидом составов происходит изменение микроструктуры гипсового композита, структура гипсового камня уплотняется, повышаются его основные физико-механические характеристики. Проведенные исследования подтверждают, что при постоянной концентрации гидроксида кальция увеличение прочности и плотности гипсовой матрицы происходит за счет увеличения концентрации сернокислого алюминия. Оптимальное содержание добавки по критерию прочности составляет 11%.
£ •
■ . ::
Рис. 3. Микроструктура гипсовой композиции с добавлением гидроксида кальция
научно-технический и производственный журнал 20 июль 2014
Рис. 4. Кристаллизация эттрингита из Рис. 5. Микроструктура гипсовой
раствора на стекле
композиции с добавлением плексного модификатора
Установлено, что кристаллизация эттрингита в системе полугидрата сульфата кальция при поддержании необходимого рН и содержания сернокислого алюминия совпадает по времени с кристаллизацией дигидрата сульфата кальция, поэтому образовавшийся гидросуль-фоалюминат кальция, заполняя поры, не вызывает вредных напряжений, являясь структурным элементом твердеющей дисперсной системы.
Таким образом, путем направленной кристаллизации модифицированной гипсовой матрицы при тверде-
Рис. 5. Сравнительные характеристики средней плотности в зависимости от состава гипсовой композиции: 1 - с добавкой гидроксида кальция; 2 - с комплексной добавкой; 3 - без добавок
нии композиции с комплексной добавкой возможно образование игольчатых и призматических кристаллов ги-дросульфоалюминатов кальция, которые будут упрочнять структуру гипса. Установлено, что использование комплексной добавки на основе сернокислого алюминия и гидроксида алюминия позволяет повысить прочность гипсовых материалов по сравнению с контрольными образцами более чем на 80% без значительной потери плотности.
Список литературы
1. Белов В.В., Бурьянов А.Ф., Яковлев Г.И., Петропавловская В.Б., Фишер Х.-Б., Маева И.С., Новиченкова Т.Б. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция. М.: Де Нова. 2012. 196 с.
2. Бабков В.В., Латыпов В.М., Ломакина Л.Н., Шигапов Р.И. Модифицированные гипсовые вяжущие повышенной водостойкости и гипсокерамзито-бетонные стеновые блоки для малоэтажного жилищного строительства на их основе // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 4—8.
3. Сафонова Т.Ю. Влияние реактивного пуццолана на свойства смешанного воздушного вяжущего // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 2. С. 174 —179.
4. Гаркави М.С., Панферова А.Ю., Некрасова С.А., Михайлова К.А. Формирование структуры наномо-дифицированного гипсополимерного материала // Сухие строительные смеси. 2013. № 2. С. 38—40.
5. Лесовик В.С., Чернышева Н.В., Клименко В.Г. Процессы структурообразования гипсосодержащих компонентов с учетом генезиса сырья // Известия вузов. Строительство. 2012. № 4. С. 3—11.
6. Кузьмина В.П. Способ введения базальтового волокна в композитные материалы // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2011. № 2. С. 59—64. http://nanobuild.ru/ru_RU/journal/Nano-build_2_2009_RUS.pdf (дата обращения 10.06.2014).
7. Гаркави М.С., Некрасова С.А., Трошкина Е.А. Кинетика формирования контактов в наномодифи-цированных гипсовых материалах // Строительные материалы. 2013. № 2. С. 38-40.
8. Маева И.С., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П. Структурирование ангидритовой матрицы нанодисперсными модифицирующими добавками // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 4-5.
9. Козлова В.К., Вольф А.В. Анализ причин позднего появления эттрингита в цементном камне // Ползуновский вестник. 2009. № 3. С. 176-181.
10. Чернышева Н.В., Лесовик В.С. Быстротвердеющие композиты на основе водостойких гипсовых вяжущих. Белгород: БГТУ, 2011. 100 с.
References
1. Belov V.V., Bur'yanov A.F., Yakovlev G.I., Petropavlov-skaya V.B., Fisher H.-B., Maeva I.S., Novichenkova T.B. Modifikacija struktury i svojstv stroitel'nyh kompozitov na osnove sul'fata kal'cija [Modification of structure and properties of construction composites based on calcium sulfate]. Moscow: De Nova. 2012. 196 p.
2. Babkov V.V., Latypov V.M., Lomakina L.N., Shigapov R.I. Modified plaster knitting with increased water resistance and gypsum haydite-concrete wall blocks for low housing construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 7, pp. 4-8. (In Russian).
3. Safonova T.Ju. Influence reactive puzzolan on properties of the mixed air knitting. Vestnikgrazhdanskih inzhenerov.
2012. No. 2, pp. 174-179. (In Russian).
4. Garkavi M.S., Panfjorova A.Ju., Nekrasova S.A., Mihajlova K.A. Structure formation of nanomodified gypsumpolimer material. Suhie stroitel'nye smesi. 2013. No. 2, pp. 38-40. (In Russian).
5. Lesovik V.S., Chernysheva N.V., Klimenko V.G. Structurization processes of the gipsum-containing components considering raw materials genesis. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 2012. No. 4, pp. 3-11. (In Russian).
6. Kuz'mina V.P. Way of introduction basalt fiber in composite materials. Nanotekhnologii v stroitel'stve: scientific internet-journal 2011. No. 2, pp. 59-64.
http: //nanobuild. ru/ru_RU/j ournal/Nanobuild_2_2009_ RUS.pdf (date of access 10.06.2014). (In Russian).
7. Garkavi M.S., Nekrasova S.A., Troshkina E.A. Kinetics of contacts formation in the nanomodified gypsum materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials].
2013. No. 2. pp. 38-40. (In Russian).
8. Maeva I.S., Jakovlev G.I., Pervushin G.N., Bur'yanov A.F., Pustovgar A.P. Structuring of anhydrite matrix by nanodis-perse modifying additives. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 6, pp. 4-5. (In Russian).
9. Kozlova V.K., Vol'f A.V. Analysis of the reasons of late emergence ettringite in a cement stone. Polzunovskij vestnik. 2009. No. 3, pp. 176-181. (In Russian).
10. Chernysheva N.V., Lesovik V.S. Bystrotverdejushhie kompozity na osnove vodostojkih gipsovyh vjazhushhih [Quick-hardening composites basen on the waterproof plaster knitting]. Belgorod: BGTU. 2011. 100 p.
Cj научно-технический и производственный журнал
® июль 2014 21
