Свойства и структура строительного гипса с микрокристаллической целлюлозой

Пыкин А.А.; Лукутцова Н.П.; Лукаш А.А.; Ласман И.А.; Головин С.Н.; Тугай Т.С.

DOI: 10.12737/article_5a27cb7e827280.73556713

Пыкин А.А., канд. техн. наук, доц., Лукутцова Н.П., д-р техн. наук, проф., Лукаш А.А., канд. техн. наук, доц., Ласман И.А., канд. техн. наук, доц., Головин С.Н., студент, Тугай Т.С., студент

Брянский государственный инженерно-технологический университет

СВОЙСТВА И СТРУКТУРА СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА С МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗОЙ

alexem87@yandex.ru

Представлены результаты исследования влияния тонкодисперсной микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и структуру строительного гипса. Экспериментально установлено, что МКЦ приводит к снижению водопотребности (в 1,2раза) строительного гипса при сохранении стандартной консистенции, сокращению сроков схватывания гипсового теста, а также повышению прочности (на изгиб в 1,8 раза, на сжатие в 1,5 раза) и коэффициента размягчения (в 1,2 раза) гипсового камня. Полученные результаты является следствием ускорения процесса гидратации строительного гипса за счет водоудерживающей способности МКЦ, а также уплотнения пространства между кристаллогидратами двуводного гипса.

Ключевые слова: строительный гипс, микрокристаллическая целлюлоза, консистенция, сроки схватывания, прочность, водостойкость, структура._

Введение. Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с необходимостью разработки новых ресурсо- и энергосберегающих способов повышения прочности и водостойкости гипсовых вяжущих и материалов на их основе, которые при относительно низкой стоимости обладают экологично-стью и пожаробезопасностью.

Одним из высокоэффективных способов регулирования прочности и водостойкости гипсовых вяжущих является введение различных видов минеральных и органических добавок, способствующих образованию труднорастворимых соединений, покрывающих кристаллы двувод-ного гипса и формирующих плотную, прочную и менее водопроницаемую гипсовую матрицу [13].

Обзор известных литературных источников показал, что для повышения прочности и водостойкости гипсовых материалов широко используются тонкодисперсные минеральные добавки природного (диатомит, опока, трепел, пуццолана, цеолит, шунгит и др.) [4-6] и искусственного (портландцемент, известь, метакаолин, микрокремнезем, керамзитовая и металлургическая пыль, отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и др.) происхождения как отдельно, так и в комплексе с органическими модификаторами (гипер- и суперпластификаторы, гидрофобизаторы, углеродные нанотрубки, эфиры целлюлозы и др.) [7-12].

В настоящее время среди органических добавок-регуляторов свойств различных строительных материалов, в том числе на основе гипсовых вяжущих, большой научно-практический интерес представляют структурные модификации целлюлозы (линейного природного полимера-полисахарида с общей формулой (СбНюО5)п или [СбШО2(ОН)з]п), в частности микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) [13-16].

МКЦ - это продукт химической деструкции фибриллярной структуры частиц исходной целлюлозы (чаще всего хлопковой и древесной), который образуется в результате разрушения отдельных элементов целлюлозных волокон (аморфных прослоек), играющих роль связок между фибриллами.

Микрокристаллическая целлюлоза представляет собой белое сыпучее порошкообразное вещество с удельной поверхностью в сухом состоянии 3,5-4,5 м2/г, состоящее из частиц в виде агрегатов иглоподобных микрокристаллитов целлюлозы, деструктированной до предельной степени полимеризации, величина которой для хлопковой МКЦ составляет 200-300, для древесной МКЦ - 120-280 [13-16].

Характерной особенностью МКЦ, имеющей высокоразвитую гидрофильную поверхность с большим числом активных гидроксильных групп, является ее способность при взаимодействии с водой набухать, диспергироваться и об-

разовывать относительно устойчивые тиксотроп-ные гидрогели, обладающие водоудерживаю-щими свойствами.

Высокая химическая чистота и физиологическая инертность в сочетании с другими ценными качествами (химическая стойкость, нерастворимость в воде и органических растворителях, отсутствие запаха и цвета) определяют широкое применение МКЦ в качестве наполнителя, стабилизатора и эмульгатора в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности [13-16].

В строительной отрасли МКЦ используют, в основном, в качестве наполнителя в производстве пластических масс, керамических огнеупоров и фарфора, стабилизатора водных красок и различных эмульсий. При этом существует необходимость в изучении влияния МКЦ, как водо-удерживающей добавки, на свойства строительных материалов, в том числе гипсовых.

Целью работы является исследование влияния МКЦ на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и структуру строительного гипса.

Методика. При проведении исследования использовались следующие материалы:

- нормальнотвердеющий строительный гипс марки по прочности Г-2 (ЗАО «Самарский гипсовый комбинат», г. Самара);

- пищевая хлопковая МКЦ в виде сухого вещества с удельной поверхностью частиц 3,5 м2/г, степенью полимеризации 250 (ЗАО «Эвалар», г. Бийск).

Консистенция гипсового теста (ГТ) определялась по диаметру расплыва ГТ на вискозиметре

Суттарда; сроки схватывания - по глубине погружения иглы прибора Вика в ГТ стандартной консистенции; прочность - по пределу прочности при сжатии половинок образцов-балочек размерами 4^4x16 см, изготавливаемых из ГТ стандартной консистенции и испытываемых через 2 ч после контакта гипса с водой; средняя плотность и водостойкость - по отношению массы к объему и по коэффициенту размягчения половинок бало-чек, предварительно высушенных до постоянной массы при температуре 50 °С.

Пробы гипсового теста с микрокристаллической целлюлозой приготавливались в следующей последовательности: добавление в воду микро-доз МКЦ (в количестве от 1,7x10-4 до 18,7x10-4 % от массы вяжущего), первичное перемешивание, засыпка гипса, вторичное перемешивание.

Количество воды, необходимое для получения контрольных проб ГТ стандартной консистенции, составляло 63 %, а модифицированных - 54 %.

Анализ влияния МКЦ на структуру строительного гипса проводился методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) сколов образцов гипсового камня (ГК) с помощью микроскопа SUPRA 25-30-34.

Основная часть. Результаты испытаний показали, что консистенция гипсового теста при введении МКЦ изменяется экстремально (рис. 1).

При повышении количества МКЦ от 1,7x10-4 до 11x10-4 % диаметр расплыва ГТ увеличивается от 156 до 180 мм, то есть на 15 %.

Последующее повышение количества МКЦ от 11x10-4 до 18,7x 10-4 % приводит к уменьшению диаметра расплыва ГТ на 19 % (от 180 до 146 мм).

Количество I

Рис. 1. Зависимость консистенции гипсового теста от количества МКЦ

Изменение прочности на сжатие гипсового камня с добавкой МКЦ также носит экстремальный характер (рис. 2).

Минимумы предела прочности при сжатии

(1,7 и 3,8 МПа) наблюдаются при количествах МКЦ, равных 7х10-4 и 17х10-4 %, а максимумы (1,9 и 4,3 МПа) - при 4,5х10-4 и 13х10-4 % соответственно.

Количество МКЦ, %

Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие гипсового камня от количества МКЦ

Оптимальным количеством МКЦ, с точки зрения получения гипсового теста стандартной консистенции (диаметр расплыва составляет 178 мм) и максимального повышения прочности на сжатие гипсового камня (предел прочности при сжатии равен 4,1 МПа), является 12х10-4 % от массы гипса.

Анализ влияния МКЦ на свойства строительного гипса показал, что его водопотребность снижается в 1,2 раза (от 63 до 54 %) при сохранении стандартной консистенции гипсового теста.

При этом сроки схватывания ГТ сокращаются: начало от 14 до 10 мин, конец от 16 до 13 мин. Средняя плотность гипсового камня увеличивается от 1343 до 1374 кг/м3. Предел прочности при изгибе ГК повышается в 1,8 раза (от 1,5 до 2,7 МПа), при сжатии - в 1,5 раза (от 2,8 до 4,1 МПа), а коэффициент размягчения возрастает в 1,2 раза (от 0,59 до 0,71) (табл. 1).

Свойства строительного гипса

Таблица 1

Состав Гипсовое тесто Гипсовый камень

Диаметр расплыва, мм Сроки схватывания, мин Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 Предел прочности через 2 ч, МПа Коэффициент размягчения

начало конец при изгибе при сжатии

без МКЦ, В/Г = 0,63 178 14 16 1343 1,5 2,8 0,59

с 12х10-4 % МКЦ, В/Г = 0,54 178 10 13 1374 2,7 4,1 0,71

Кроме того, МКЦ положительно влияет на изменение прочности гипсового камня в зависимости от времени хранения (рис. 3).

Так, предел прочности при сжатии ГК через 1 сутки повышается от 5,2 до 6,7 МПа (на 29 %), через 3 суток - от 10,9 до 14,3 МПа (на 31 %), через 7 суток - от 12,7 до 17,5 МПа (на 38 %), через 28 суток - от 17,1 до 19,6 МПа (на 15 %).

Результаты РЭМ показали, что структура ГК контрольного состава представлена удлиненными пластинчатыми кристаллами двугидрата сульфата кальция, которые имеют между собой

точечные связи (рис. 4, а).

Кроме того, кристаллы двугидрата сульфата кальция в контрольных образцах ГК характеризуются наличием межконтактных полостей, в которые, по данным В.Ф. Коровякова [17], может проникать вода, ослабляя связи, что приводит к значительному снижению прочности и водостойкости строительного гипса.

В то же время, МКЦ способствует уплотнению пространства между кристаллогидратами двуводного гипса (рис. 4, б).

20

то 18 С

16 14

12

о

0

1 т о о. 1=

с 0) се а> а. 1=

10

У .......................X...

У У У

_____ X у

/ / У

У ■/ / / / /

..........у у .......... У / /

/ / —• У

.....................................................

2ч

1 сут

3 сут Возраст

7 сут

■ без МКЦ с МКЦ

28 сут

Рис. 3. Изменение прочности на сжатие гипсового камня в зависимости от времени хранения

а)П

б)

Рис. 4. Структура гипсового камня: а - без МКЦ; б - с МКЦ

Выводы. На основании выполненных исследований выявлен характер влияния тонкодисперсной микрокристаллической хлопковой целлюлозы на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и

структуру строительного гипса, а также определена оптимальная дозировка добавки (12*10~4 % от массы гипса). Установлено, что микрокристаллическая целлюлоза позволяет снизить водо-потребность строительного гипса в 1,2 раза, со-

кратить сроки схватывания гипсового теста, повысить прочность (на изгиб в 1,8 раза, на сжатие в 1,5 раза) и коэффициент размягчения (в 1,2 раза) гипсового камня. Улучшение свойств строительного гипса с микрокристаллической целлюлозой обусловлено ускорением процесса гидратации полуводного гипса за счет водоудержива-ющей способности добавки, а также уплотнением пространства между кристаллогидратами двуводного гипса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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.

2. Токарев Ю.В., Гинчицкий Е.О., Гинчицкая Ю.Н., Гордина А.Ф., Яковлев Г.И. Влияние комплекса добавок на свойства и структуру гипсового вяжущего // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 84-89.

3. Потапова Е.Н., Исаева И.В. Влияние добавок на водостойкость гипсового вяжущего // Сухие строительные смеси. 2012. № 5. С. 38-41.

4. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А. Теоретические и технологические аспекты получения микро- и нанодисперсных добавок на основе шунгитосодержащих пород для бетона. Монография. Брянск: БГИТА, 2014. 216 с.

5. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of nano-disperse additives based on metakaolin // Glass and Ceramics. 2015. № 11-12. С. 383-386.

6. Lukuttsova N., Pykin A., Kleymenicheva Y., Suglobov A., Efremochkin R. Nano-additives for composite building materials and their environmental safety // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Т. 11. № 11. С. 7561-7565.

7. Филиппова К.Е., Кулаковский В.А., Лукина Ю.Ю. Влияние цеолитсодержащей добавки на сроки схватывания и водостойкость гипсовых вяжущих веществ // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 8. С. 38-41.

8. Халиуллин М.И., Рахимов Р.З., Гайфуллин А.Р. Состав и структура камня композиционного гипсового вяжущего с добавками извести и молотой керамзитовой пыли // Вестник МГСУ. 2013. № 12. С. 109-117.

9. Сегодник Д.Н., Потапова Е.Н. Гипсоце-ментно-пуццолановое вяжущее с активной минеральной добавкой метакаолин // Успехи в химии и химической технологии. 2014. № 8 (157). С. 77-79.

10. Изряднова О.В., Яковлев Г.И., Полянских И.С., Фишер Х.-Б., Сеньков С.А. Изменение морфологии кристаллогидратов при введении ультра- и нанодисперсных модификаторов структуры в гипсоцементно-пуццолановые вяжущие // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 25-27.

11. Чернышева Н.В. Использование техногенного сырья для повышения водостойкости композиционного гипсового вяжущего // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 53-56.

12. Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Дребез-гова М.Ю. Водостойкие гипсовые композиционные материалы с применением техногенного сырья. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. 320 с.

13. Аутлов С.А., Базарнова Н.Г., Кушнир Е.Ю. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства и области применения (обзор) // Химия растительного сырья. 2013. № 3. С. 33-41.

14. Алешина Л.А., Гуртова В.А., Мелех Н.В. Структура и физико-химические свойства целлюлоз и нанокомпозитов на их основе. Монография. Петрозаводск: ПетрГУ, 2014. 240 с.

15. Heinze T. Cellulose: structure and properties // Advances in polymer science. 2015. Т. 271. С. 152.

16. Zhao Y., Moser C., Lindstrom M.E., Hen-riksson G., Li J. Cellulose nanofibers from softwood, hardwood, and tunicate: preparation-structure-film performance interrelation // Acs applied materials & interfaces. 2017. Т. 9. № 15. С. 13508-13519.

17. Коровяков В.Ф. Модифицирование свойств гипсовых вяжущих органоминеральным модификатором // Сухие строительные смеси. 2013. № 3. С. 15-17.

Информация об авторах

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пыкин Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры производства строительных конструкций.

E-mail: alexem87@yandex.ru