CC BY
62Л. Х. Загороднюк, канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПЕРЛИТОЦЕМЕНТНЫЕ СУХИЕ СМЕСИ
LHZ47@mail.ru
Описаны требования, предъявляемые к материалам и теплоизоляционным штукатурным смесям, а также свойства штукатурных растворов, которые могут быть применены для создания теплоизоляционных штукатурок. С помощью метода математического планирования эксперимента оптимизированы составы штукатурных растворов.
Ключевые слова: сухие перлито-цементные теплоизоляционные штукатурные смеси, модифицирующие функциональные добавки, оптимизация составов, эксплутационные характеристики.
Актуальность. Ассортимент современных теплоизоляционных материалов строительного назначения, выпускаемых в нашей стране, слишком мал. В развитых странах большую популярность получили теплоизоляционные сухие штукатурные смеси на основе заполнителей с пористой структурой, обеспечивающих высокие теплоизоляционные свойства растворов. Сухие смеси представляют собой смесь вяжущих, заполнителей (наполнителей) и различных добавок. Сухие строительные смеси (ССС) имеют неоспоримые преимущества и высокую эффективность, как в техническом, так и экономическом плане, заключающиеся в повышении культуры качества строительных работ и производительности труда, облегчении доставки их на объекты, увеличении срока хранения на строительных площадках, что обеспечивает непрерывность цикла отделочных работ и достаточный запас их непосредственно в местах потребления. Установлено, что повышение производительности труда достигает от 1,5 до 5 раз и снижение материалоёмкости по сравнению с традиционными технологиями - от 3 до 10 раз. Поэтому их используют в возрастающем темпе во всех развитых странах [1]. В нашей стране производство теплоизоляционных сухих смесей на основе лёгкого заполнителя является новым направлением, поэтому данные по составам и рецептурам ограничены и противоречивы.
Основное и принципиальное отличие модифицированных сухих смесей от традиционных цементно-песчаных растворов в том, что наряду с минеральными вяжущими и заполнителями в их состав входят различные химические добавки. Вводимые в незначительных количествах модифицирующие добавки активно влияют на процесс гидратации цемента и в значительной мере на формирование структуры цементного камня, что даёт возможность управлять технологическими,
физико -механическими и эксплуатационными свойствами сухих смесей. Рациональный путь развития производства сухих
теплоизоляционных смесей сдерживается из-за неизученности влияния функциональных добавок на физико-химические процессы гидратации и твердения цементных систем.
Анализируя литературные данные и практический опыт производства сухих смесей, следует отметить, что на данный момент времени отсутствуют исследования процессов гидратации и твердения растворных смесей на перлитовом сырье и влияния модифицирующих добавок на эти процессы. Поэтому данная тематика является актуальной для исследований. Как показали итоги Международной конференции «Перлит. Опыт, технологии, перспективы», проводившейся НИИСМИ в 2005 г., для строительства в России современные перлитовые материалы
используются мало: в бетонах перлит практически не применяется, нет широкой номенклатуры перлитовых сухих смесей. Из-за отсутствия опыта и требований к производству теплоизоляционных сухих смесей за основу назначения и разработки составов были приняты зарубежные результаты, утвердившиеся в строительной практике (DIN 18550-3 «Штукатурка. Теплоизолирующие штукатурные системы на основе минеральных вяжущих веществ, содержащие в качестве заполнителя пенополистирол (EPS)»), а также разработки отечественных исследователей по
использованию вспученного перлита [2-4]. Перлит применяется в строительстве уже более полувека. Но до сих пор, к сожалению, большая часть потребителей в строительной отрасли всё ещё весьма слабо представляют себе его возможности и преимущества. А ведь перлит отличают огнестойкость, долговечность, химическая инертность, биостойкость и мощная
сырьевая база. Перлит представляет собой алюмосиликатный материал со значительным содержанием щелочей. Химический состав перлита различных месторождений следующий (масс. %): 8Ю2 - 65...76; АЬОз - 12...16; БеО + Ре2Оз до 3; СаО - до 3; ^О + К2О - 3.10; Н2О (структурная) - 1,5.10. Следует отметить, что перлит характеризуется очень низкой плотностью и теплопроводностью, что обусловливает высокую эффективность его применения в составах строительных растворных смесей, в том числе сухих. Так, например, марки вспученного перлита по плотности характеризуются значениями 25.500 (600), т. е. 25.500 (600) кг/м3, при этом коэффициент теплопроводности вспученного перлита изменяется в интервале от 0,04 до 0,09 Вт/мК. Пористые заполнители вводятся в состав теплоизоляционных штукатурных растворов в количестве до 5-10 % по массе, в зависимости от их плотности и гранулометрии
[5].
Цель работы - обоснование и разработка для штукатурных работ составов сухих теплоизоляционных цементо-перлитовых
смесей с функциональными добавками.
В процессе выполнения работы:
- изучено влияния функциональных добавок в зависимости от их вида и концентрации на процессы структурообразования в цементном тесте на ранних стадиях набора прочности и кинетику процессов гидратации цемента и морфологию гидратных фаз в затвердевших штукатурных растворах;
- разработаны рациональные составы сухих теплоизоляционных штукатурных смесей на основе портландцемента, перлитового сырья и функциональных добавок с позиций реологических и физико-механических свойств;
- получены математические зависимости влияния концентрации и вида добавок на физико-механические свойства теплоизоляционных растворов, определены технологические и эксплуатационные свойства штукатурных растворов на основе разработанных составов;
Разработка составов сухих смесей для теплоизоляционного штукатурного раствора на основе вспученного перлитового песка
В качестве связующего использовался портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (ПЦ-500 Д0).
В качестве лёгкого пористого заполнителя использовался вспученный перлитовый песок производства ОАО «Осколснаб» (г. Старый Оскол), гранулометрический состав
(установлено, что интегральная кривая распределения частиц перлитового песка коррелирует с кривой распределения цементных частиц, что предопределяет эффективное использование её в качестве компонента цементно-перлитового раствора) которого достаточно хорошо согласуется с теоретическим расчётным составом
высокоплотной упаковки зёрен заполнителя, что даёт основание рекомендовать для использования в сухих теплоизоляционных смесях без дополнительного рассева на фракции.
Перлитовый песок по своим химическим свойствам можно классифицировать как пуццолановый материал с высокой реакционной способностью, который в смеси с СаО образует С-8-Н, алюминаты и алюмосиликаты кальция за счёт высокого содержания аморфного 8Ю2 -75,8 %, А12О3 - 12,73 % и низкого содержания СаО - 2,46 %.
Для оптимизации состава перлитово-цементных штукатурных растворов была изучена область соотношения -
цемент:перлитовый песок = 1 : 5.1 : 15 и определены физико-механические
характеристики затвердевших цементно-перлитовых систем. Оптимизация составов сухих смесей и исследование влияния отдельных компонентов на технологические и физико-механические свойства получаемых на их основе штукатурных растворов осуществлялись методом математического планирования эксперимента на основании средней плотности и прочности при сжатии 17 серий затвердевших теплоизоляционных композиций оптимального состава - цемент : вспученный перлитовый песок = 1:7 от вида и дозировки функциональных добавок.
Рациональный состав штукатурного раствора имеет плотность - 440 кг/м3, прочность при сжатии - 2,22 МПа.
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Микроструктура цементного камня
Работ, посвященных исследованию микроструктур цементно-перлитовых
композиций с помощью растровой ионно-электронной микроскопии, насколько нам известно, не имеется.
Известно, что цемент представляет очень сложную систему, которая изменяется с возрастом гидратации, поэтому изучили микроструктуру, как цементного, так и перлито-цементного камня, сформировавшегося к 3, 7 и
28 суткам. Для исследований формовали цементные образцы-кубики (3x3x3 см) из теста нормальной густоты, которые выдерживали в нормальных условиях твердения и изучали в растровом ионно-электронном микроскопе Quanta 200 3D с интегрированной системой Pegasus 2000 для микроанализа в 3, 7 и 28-суточном возрасте.
Бездобавочный цементный камень, как видно из рис. 1, а, состоит из отдельных поликристаллических агрегированных блоков. Согласно данным энергодисперсионного анализа, поверхностные слои одних блоков состоят из параллельных иголочек и пакетов волокон гидросиликатов кальция, других - из сросшихся пластинок сульфогидроалюминатов или гидроалюмоферритов кальция, третьих - из гидроксида кальция. На поверхности стенок пор преобладают агрегированные новообразования гребёнчатого вида, состоящие из длинных игольчатых кристаллов гидросиликатов кальция. Полного зарастания пор не наблюдается.
Микроструктура цементного камня с функциональными добавками (Tylose, Mowilith
На микрофотографиях чётко видна конфигурация пор с агрегатами новообразований на их поверхности. К порам прилегает гелеобразная силикатная масса. Просматриваются блоки, состоящие из тонких плёнок. Преобладают игольчатые
новообразования, которые хаотично заполняют более значительную, чем в бездобавочном цементном камне, часть порового пространства, обеспечивая «сшивку» зёрен новообразований. Установлено, что пористость цементного камня в присутствии добавок значительно выше, чем у цементного камня без добавок.
Из приведенного описания отчетливо видно, что микроструктура цементного камня, модифицированного функциональными
добавками, в отличие бездобавочного; более пористая, с преобладанием игольчатых новообразований, армирующих
поликристаллические агрегированные блоки, микротрещины и поры между ними.
По данным рентгеновского анализа фазового различия между изученными образцами нет, изменяется только
Рисунок 1 - Электронно-микроскопические фотографии поверхности скола образцов:
цементного камня в возрасте 28 сут. (ув. 5000*): а - бездобавочного, б - с комплексом добавок (Tylose MH 60010 P4, Mowilith Pulver, Hostapur OSB)
Микроструктура цементно-перлитовых композиций
Цементно-перлитовый раствор нельзя описать как композицию заполнителя в матрице из цементного камня. Микроструктура цементного камня на контакте с заполнителем отличается от микроструктуры цементного камня во всем объёме. Микроструктура затвердевших цементно-перлитовых
композиций представлена микроструктурой пористого цементного камня, перлитового песка и контактных зон с заполнителем и в литературе
практически не описана.
На рис. 2, а представлены результаты исследований микроструктуры бездобавочной цементно-перлитовой композиции с
оптимальным соотношением по объёму цемент: перлитовый песок = 1:7. Видна расколовшаяся перлитовая песчинка,
окружённая со всех сторон продуктами гидратации цемента, которые представлены в виде чешуек и длинных призматических кристаллов, заполняющих свободное
пространство. Для микроструктуры цементно-
перлитовои композиции характерна структурно-морфологическая неоднородность. Как правило, система состоит из сферических частичек перлитового песка, поверхность которых покрыта продуктами взаимодействия с цементом - тонковолокнистыми и чешуйчатыми кристаллами гидросиликатов кальция. Тончайшие прослойки перлитового песка являются активной подложкой для гидратных новообразований. Можно отметить, что достаточно трудно определить границу перлитового зерна в цементном камне, поскольку зерно заполнителя имеет «сотовую» структуру. Вероятно, происходит свободная миграция ионов Са2+ и ОН- вглубь перлитовой песчинки.
При исследовании микроструктур цементно-перлитовых композиций рациональных составов с функциональными добавками (рис. 2, б), выявлено, что пористость цементно-перлитовых композиций с функциональными добавками значительно выше, чем бездобавочных. Среди новообразований преобладают кристаллы призматического, игольчатого и волокнистого габиттуса. Некоторые поры заполнены пакетами кристаллов, природа которых не установлена. Отмечается высокая однородность структуры, чёткое прорастание гидросиликатов по всей матрице композита. При этом необходимо
отметить, что внутри «сотовой» структуры перлитового зерна также наблюдаются продукты гидратации. Тончайшие стенки частиц вспученного перлитового песка покрыты новообразованиями - агрегатами игольчатых кристаллов, то есть они являются химически активной подложкой.
На фотографиях чётко видна конфигурация пор и характер агрегирования сформированных в них новообразований.
Анализ рентгенограмм продуктов твердения цементно-перлитовых композиций
подтверждает, что фазовый состав цементно-перлитовой системы практически не отличается от состава бездобавочного цементного камня. Различия лишь в интенсивности дифракционных максимумов. Присутствуют линии алитовой и белитовой фаз цемента, линии низкоосновного гидросиликата С-8-Н(Б), тоберморита, ксонотлита, присутствуют линии 8Ю2. Можно отметить повышение интенсивности линии с d = 4,93 А по сравнению с d = 2,64 А, что свидетельствует о внедрении в решётку гидроксида кальция ионов 81, А1, Бе, с образованием дополнительных, к продуктам гидратации цемента, соединений -гидросиликатов и гидрогранатов кальция.
в
г
Рисунок 2 - Электронно-микроскопические фотографии поверхности скола образцов: цементно-перлитового камня состава Ц:П = 1:7 в возрасте 28 сут. (ув. 5000*): а - бездобавочного, б - с комплексом добавок (Tylose MH 60010 P4, Mowilith Pulver, Hostapur OSB)
На основании проведенных исследований, разработаны технологическая схема
производства сухих теплоизоляционных штукатурных смесей, технологический регламент на их изготовление, технические условия на продукцию и рекомендации по их применению.
По технико-экономическим показателям наиболее рациональна организация
производства таких смесей с использованием местных вяжущих, заполнителей и импортируемых функциональных добавок.
Таким образом, разработаны
рациональные составы сухих
теплоизоляционных штукатурных смесей на основе цементно-перлитовых композиций в присутствии функциональных добавок с позиций реологических свойств цементно-перлитовых систем и физико-механических показателей штукатурных
теплоизоляционных затвердевших
растворов. При оптимальном соотношении вяжущего и заполнителя по объёму - цемент: перлитовый песок = 1:7 из перлитоцементных сухих смесей получены теплоизоляционные штукатурные растворы плотностью 440 кг/м3 с пределом прочности на сжатие 2,22 МПа.
В настоящее время существует реальная потребность в легких бетонах, растворах и долговечной негорючей теплоизоляции. Вспученный перлит едва ли не единственный негорючий, долговечный и экологически чистый легкий заполнитель природного происхождения, позволяющий получать бетоны и растворы низкой плотности. В России имеется достаточное количество перлитового сырья и мощный производственный потенциал для получения вспученного перлита, перлитовых сухих смесей и теплоизоляционных изделий. Поэтому есть уверенность в том, что строительные материалы из вспученного перлита займут достойное место на строительном рынке.
Проблема объективной оценки фазового
состава новообразований без микрозондовых исследований остаётся нерешенной, поскольку при визуальных микроскопических
исследованиях имеет место различная субъективная трактовка наблюдаемой картины.
Автор выражает благодарность сотруднику центра коллективного пользования БелГУ (госконтракт 02.552.11.7017 ФЦКП) Д. А. Колесникову за помощь в проведении электронно-микроскопических исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кройчук, Л. А. Опыт изготовления и использования сухих растворных смесей за рубежом // Строительные материалы. 2000. № 9. С. 16-17.
2. Наседкин, В.В. Перлит как заполнитель лёгких бетонов. Историческая хроника и перспективы на будущее // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 70-74.
3. Крупа, А.А. Комплексная переработка и использование перлитов / А. А. Крупа, В.В. Наседкин, В. А .Свидерский. Киев: Будiвельник, 1998. 117 с.
4. Материалы и изделия на основе вспученного перлита. /Под общ. ред. А. В.Жукова. - М.: Стройиздат, 1972. 159 с.
5. Корнеев, В.И. Словарь «Что» есть «что» в сухих строительных смесях / В. И. Корнеев, П. В. Зозуля. СПб.: НП «Союз производителей сухих строительных смесей». 2004. 312 с.
