CC BY
48
УДК 692.231.2:691.311
АНИКАНОВА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, alasmit@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА КОМПОЗИЦИОННОМ ПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНОМ ВЯЖУЩЕМ
Представлены исследования стеновых материалов на основе модифицированных гипсовых вяжушдх, карбамидоформальдегидной смолы и древесного заполнителя. Установлены закономерности влияния составов, режимов сушки, влажности окружающей среды на физико-механические характеристики стеновых материалов. Разработана технологическая схема изготовления стеновых материалов со средней плотностью 560-600 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 6 МПа. Установлена возможность использования стенового материала для малоэтажного строительства и устройства межкомнатных и межквартирных перегородок.
Ключевые слова: модифицированные гипсовые вяжущие; полимермине-ральное связующее; отвердитель; теплоизоляционные; конструкционно-тепло-изоляционные стеновые материалы.
LYUBOV''A. ANIKANOVA, PhD, A/Professor, [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
WALL MATERIALS BASED ON MINERAL-POLYMER COMPOSITE BINDER
The paper presents the investigations of wall materials based on modified gypsum binders, carbamide-formaldehyde resin, and wood filler. The influence of wall material composition, drying modes, and humidity on mechanical-and-physical properties is identified herein. A flow chart is designed for manufacturing wall materials with 560-600 kg/m3 average density at 6 MPa compressive strength. It is shown that wall materials can be used in high-rise building for the arrangement of partition and demising walls.
Keywords: modified gypsum binder; mineral-polymer binder; hardener; heat-insulating wall materials.
Внедрение энергоресурсосберегающих технологий при производстве стеновых материалов, а также повышение энергоэффективности строящихся зданий и сооружений в строительстве является одним из основных направлений «Энергетической стратегии России на период до 2020 года». В связи с этим является актуальной разработка инновационных технологических процессов изготовления эффективных стеновых материалов с максимальным использованием местного и техногенного сырья, обеспечивающих повышенное термическоое сопротивление ограждающих конструкций зданий [1-6].
Для повышения теплозащиты зданий в условиях Сибири предлагается при устройстве многослойных стен использовать материал на основе компози-
© Аниканова Л.А., 2017
ционного полимерминерального вяжущего и древесного заполнителя, отходов деревообработки. Композиционное полимерминеральное вяжущее состоит из гипсовых или ангидритовых вяжущих и карбамидоформальдегидной смолы. Необходимость введения в композиционное вяжущее карбамидоформальдегидной смолы объясняется повышением адгезионной прочности матрицы к древесному заполнителю. Характерной особенностью карбамидных смол является способность к быстрой желатинизации при нагревании с участием катализаторов отверждения слабыми растворами кислот или солей. При выборе минеральной составляющей предпочтение отдано гипсовым и ангидритовым вяжущим, взаимодействующим со свободной водой карбамидноформальдегидной смолы при структурообразовании полимерминеральной матрицы, что способствует уменьшению ее усадки. При этом формируется гипсовый каркас, обеспечивающий требуемую прочность, тепло- и звукоизолирующие свойства стеновых материалов. В связи с отсутствием во многих регионах России гипсового сырья и необходимостью дополнительных транспортных расходов в качестве компонента композиционного вяжущего рекомендуется использовать совместно с гипсом строительным фторангидрит, отход производства плавиковой кислоты или фторангидритовое вяжущее [7, 8].
Целью работы является разработка составов и научно обоснованных технологических приемов производства стеновых материалов на основе полиминеральных вяжущих.
При проведении исследований использовались карбамидоформальдегид-ная смола КФМТ-15 (ГОСТ 14231-88 ), древесный заполнитель - отходы лесопиления Томской области, высушенный до влажности 2 % и рассеянный на фракции 2,5-5 мм и 5-10 мм, и строительный гипс Г-7 (ГОСТ 125-79). В качестве минерального вяжущего использовано разработанное автором композиционное вяжущее при соотношении компонентов: строительный гипс Г-7: нейтрализованный фторангидрит = 30:70 [8, 9]. В качестве отвердителя поли-мерминерального вяжущего традиционно применялась ортофосфорная кислота, автором предложено использование кислого фторангидрита СХК, состав и качественные характеристики которого представлены в табл. 1. Учитывая, что оптимальной средой для отверждения КФМТ-15 является слабокислая среда с рН 4-6, ортофорфорную кислоту использовали в виде 0,001%-го молярного водного раствора. Подбор состава полимерминеральной смеси с древесным заполнителем осуществлялся экспериментальными методами. На основании результатов ранее проведенных работ научно обоснованными являются составы стенового материала, представленные в табл. 2.
Приготовление смеси стенового материала осуществлялось в три приема: 1 - перемешивание древесного заполнителя, гипса, фторангидрита и воды; 2 - смешивание отвердителя и смолы; 3 - совместное перемешивание компонентов до однородной массы. Из гомогенизированной смеси формовались образцы кубики размером 4x4x4 см. После формования образцы выдерживались в формах до окончания схватывания композиционного вяжущего. С целью удаления свободной влаги и ускорения твердения материала проводилась тепловая обработка образцов при температуре 130 °С длительностью 4 ч. В установленные сроки определялись качественные характеристики: средняя плот-
ность и предел прочности на сжатие. Проводились также исследования эксплуатационных характеристик стенового материала: гигроскопичности, величины водопоглощения при капиллярном подсосе, коэффициента размягчения и морозостойкости материала. Результаты исследований по влиянию составов и режимов тепловой обработки на свойства образцов представлены в табл. 2.
Таблица 1
Состав и качественные характеристики кислого фторангидрита
Температура ФТА на выходе из печи Химический состав ФТА, масс. % Гранулометрический состав, частные остатки на ситах, % Истинная плотность, кг/м3 Средняя плотность, кг/м3
а о т 03 О о т 03 О £ О О т сч Я Рч к 2,5-5 1,25-2,5 0,63-1,25 0,315-0,63 0,16-0,315
160 78,75 1,15 т «■5 <о 16,7 11,7 36,2 39,2 2570 1470
180 81,3 "О, <о <о го" <м5 <о 00 11,0 «м, 40,7 35,7
Таблица 2
Составы стенового материала (расход на 1 м3 формовочной смеси)
£ Древесный заполнитель, кг Гипс Фторан- КФМТ-15, кг Вода, л Отвердитель, кг * 1 оа ли лр
£ т с о о Фракция 5-10 мм Фракция 2,5-5 мм строительный, кг гидрит нейтрализованный Н РО4 ФТА Средняя п ность мате кг/м3
1 - 168 109,8 256,2 53 209 0,1 - 548
2 - 169 109,5 255,5 71 219 - 8 560
3 42 118 109,3 255,7 107 235 12 600
Автором предложено получение стенового материала методом контактного омоноличивания, при котором контактирующие поверхности склеиваются тонкими клеевыми прослойками, качество которых определяется адгезией клеевой композиции к поверхности склеиваемых частиц и когезионной прочностью самой клеевой прослойки. При таком способе расход связующего должен быть ограничен и его абсолютный объем должен быть меньше межзерновой пустотности заполнителя. По результатам экспериментальных исследований установлено, что с уменьшением содержания минерального вяжущего, увеличением карбамидоформальдегидной смолы и отвердителя кислого фторангидрита прочность стенового материала повышается. Кинетика набора прочности в естественных условиях твердения представлена на рис. 1.
Время твердения, сут
--состав № 3 ---состав № 2
Рис. 1. Кинетика набора прочности стеновых материалов при твердении в естественных условиях
При тепловой обработке образцов при температуре 130 °С в течение 4 ч прочность образцов на сжатие стенового материала составляет 90 % от прочности образцов, твердеющих в естественных условиях. При формировании структуры в контактной зоне между матрицей полимерминерального вяжущего и заполнителя избыточная вода поглощается древесиной, при этом уплотняется адгезионный контакт. При сушке вода мигрирует к поверхности и испаряется, а дальнейшая гидратация композиционного вяжущего происходит преимущественно за счет выделения воды при процессе поликонденсации смолы. Исследование влажностного состояния ограждающих конструкций является важным этапом при разработке стеновых материалов, поскольку в атмосферном воздухе постоянно содержится определенное количество водяного пара. Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается величиной относительной влажности. На рис. 2 представлены кинетические изотермы сорбции водяных паров опытными образцами стеновых материалов при различной влажности воздуха.
По результатам исследований (рис. 2) установлено, что при атмосферной влажности 80 % и ниже гигроскопическое увлажнение материала незначительно, при атмосферной влажности 93 % происходит существенный рост гигроскопического увлажнения стенового материала.
В стеновом материале присутствует три вида пор: капиллярные поры заполнителя, поры матрицы и контактные поры заполнителя и матрицы. Гигроскопическое увлажнение при относительной влажности 93 % обусловлено преимущественно капиллярной конденсацией влаги в волокнах древесных частиц, при этом потеря прочности образцов, находящихся длительное время при относительной влажности 70-80 %, незначительна и не превышает 7 %.
Рис. 2. Кинетические изотермы сорбции водяных паров опытными образцами стенового материала
При относительной влажности выше 93 % сорбционное увлажнение образцов достигает 7,0-7,5 %, при этом интенсивность снижения прочности образцов повышается. При непосредственном контакте материала с водой в условиях капиллярного подсоса образцы поглощают до 84 % по массе, при этом коэффициент размягчения составляет 0,4. Для повышения водостойкости рекомендована двукратная обработка поверхности образцов полимерсиликат-ной жидкостью [10, 11]. Установлено, что спад прочности при увлажнении является обратимым. Как показали результаты эксперимента, после высушивания увлажненного материала прочность при сжатии увлажненного материала регенерируется на 90 %. Прочность образцов стенового материала после испытания на морозостойкость после 15 циклов попеременного замораживания-оттаивания практически не меняется.
По результатам исследований разработана технологическая схема производства стеновых материалов способом вибропрессования, в соответствии с которой обеспечивается изготовление изделий со средней плотностью 560-600 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 6 МПа. Особенностью технологии является процесс смешивания. Первоначально осуществляется смешивание строительного гипса, фторангидрита и древесного заполнителя в шнековом смесителе, а отвердителя КФМТ -15 и воды в пропеллерной мешалке. Совместное перемешивание компонентов проводится в смесителе непрерывного действия. Вибропрессование может осуществляться на специальных технологических линиях и на отдельных формовочных агрегатах. Сушка изделий проводится в сушилках непрерывного действия при температуре теплоносителя 125-130 °С.
Разработанный стеновой материал рекомендуется использовать для малоэтажного строительства и устройства межкомнатных и межквартирных перегородок.
Библиографический список
1. Лесовик, В.С. Процессы структурообразования гипсосодержащих композитов с учетом генезиса сырья / В.С. Лесовик, Н.В. Чернышова, В.Г. Клименко // Известия вузов. Строительство. - 2012. - № 4. - С. 3-11.
2. Ферронская, А.В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций / А.В. Ферронская. - М. : Стройиздат, 1984. - 254 с.
3. Модифицированные гипсовые безобжиговые композиты / В.Б. Петропавловская, Т.Б. Новиченкова, Ю.Ю. Полеонова, А.Ф. Бурьянов // Строительные материалы. -2013. - № 5. - С. 76-78.
4. Гипсовые и гипсошлаковые композиции на основе природного сырья и отходов промышленности / И.В. Недосенко, В.В. Бабков, С.С. Юнусова [и др.] // Строительные материалы. - 2012. - № 8. - С. 66-67.
5. Модификация структуры и свойства строительных композитов на основе сульфата кальция / В.В. Белов, А.Ф. Бурьянов, Г.И. Яковлев, В.Б. Петропавловская, Х.-Б. Фишер, И.С. Маева, Т.Б. Новиченкова. - М. : Де Нова, 2012. - 196 с.
6. Урханова, Л. Использование отходов авиационной промышленности Республики Бурятия для производства гипсовых вяжущих и изделий / Л. Урханова, Я. Щукина, Н. Ар-хинчеева // Материалы 2-й Веймарской гипсовой конференции. - Веймар, 2014. -С. 457-465.
7. Влияние сульфата и сульфита натрия на процессы структурообразования фторангид-ритовых композиций /А.И. Кудяков, Л.А. Аниканова, В.В. Редлих, Ю.С. Саркисов // Строительные материалы. - 2012. - № 10. - С. 50-53.
8. Kudyakov, A.I. Composite binding acid fluoride materials for fencing structures / A.I. Kudya-kov, L.A. Anikanova,. V.V. Redlikh // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - № 1. - С. 106-111.
9. Кудяков, А.И. Материалы для ограждающих конструкций из композиционных фторан-гидритовых вяжущих / А.И. Кудяков, Л.А. Аниканова, В.В. Редлих // Сухие строительные смеси. - 2013. - № 3. - С. 12-14.
10. Влияние полимерсиликатной жидкости на водостойкость композиционных фторангид-ритовых вяжущих / Л.А. Аниканова, А.И. Кудяков, О.В. Никитина, Я.В. Митрохина // Материалы 2-й Веймарской гипсовой конференции. - Веймар, 2014. - С. 183-190.
11. Козлов, Н.В. Микроструктура гипсового вяжущего повышенной водостойкости / Н.В. Козлов, А.И. Панченко, А.Ф. Бурьянов // Строительные материалы. - 2014. - № 5. -С. 72-75.
References
1. Lesovik V.S., Chernyshova N.V., Klimenko V.G. Protsessy strukturoobrazovaniya gipsosoder-zhashchikh kompozitov s uchetom genezisa syr'ya [Processes of structure formation of gypsum-based composites taking into account the raw material genesis]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2012. No. 4. Pp. 3-11. (rus)
2. Ferronskaja A. V. Dolgovechnost' gipsovyh materialov, izdelii i konstruktsii [The durability of gypsum materials, products and structures]. Moscow: Stroyizdat Publ., 1984. 254 p.
3. Petropavlovskaya V.B., Novichenkova T.B., Poleonova Yu.Yu, Bur'yanov A.F. Modifitsiro-vannye gipsovye bezobzhigovye kompozity [Modified gypsum unburned composites]. Stroitel'nye materialy. 2013. No. 5. Pp. 76-78. (rus)
4. Nedosenko I. V., Babkov V. V., Yunusova S.S. and other Gipsovye i gipsoshlakovye kompozitsii na osnove prirodnogo syr'ya i otkhodov promyshlennosti [Plaster and slag composition based on natural raw materials and waste industry]. Stroitel'nye materialy. 2012. No. 8. Pp. 66-67. (rus)
5. Belov V.V., Bur'yanov A.F., Yakovlev G.I., Petropavlovskaya V.B., Fisher Kh.-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 constructional composites based on calcium sulphate]. Moscow: De-Nova Publ., 2012. 196 p. (rus)
6. Urkhanova L. Shchukina E., Arkhincheeva N. Ispol'zovanie otkhodov aviatsionnoi promysh-lennosti Respubliki Buryatii dlya proizvodstva gipsovykh vyazhushchikh i izdelii. [Aviation industry waste in gypsum binder and product production in the Republic of Buryatia]. Proc. 2nd Weimar Gypsum Conference. Weimar. 2014. Pp. 457-465. (rus)
7. Kudyakov A.I., Anikanova L.A., Redlikh V.V., Sarkisov Yu.S. Vliyanie sul'fata i sul'fita natriya na protsessy strukturoobrazovaniya ftorangidritovykh kompozitsii. Stroitel'nye materialy. 2012. No. 10. Pp. 50-53. (rus)
8. Kudyakov A.I., Anikanova L.A., Redlikh V. V. Materialy dlya ograzhdayushchikh konstruktsii iz kompozitsionnykh ftorangidritovykh vyazhushchikh [Composite binding acid fluoride materials for fencing structures]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 1. Pp. 106-111. (rus)
9. Kudyakov A.I., Anikanova L.A., Redlikh V. V. Materialy dlya ograzhdayushchikh konstruktsii iz kompozitsionnykh ftorangidritovykh vyazhushchikh [Wall materials made of composite acid fluoride binders]. Sukhie stroitel'nye smesi. 2013. No. 3. Pp. 12-14. (rus)
10. Anikanova L.A., Kudyakov A.I., Nikitina O.V., Mitrokhina Ya.V. Vliyanie polimersilikatnoi zhidkosti na vodostoikost' kompozitsionnykh ftorangidritovykh vyazhushchikh [Influence of polymer silicate liquid on water resistance of composite acid fluoride binders]. Proc. 2nd Weimar Gypsum Conference. Weimar. 2014. Pp. 183-190. (rus)
11. Kozlov N.V., Panchenko A.I., Bur'janov A.F. Mikrostruktura gipsovogo vjazhushhego pov-yshennoj vodostojkosti [Microstructure of gypsum binder high resistance]. Stroitel'nye materialy. 2014. No. 5. Pp. 72-75. (rus)
