CC BY
32
УДК 691.311
Власова ЕЮ., Белова А.И., Федорова ВВ., Сычева ЛИ.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА ГИПСОВОЙ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ
Власова Елена Юрьевна, студентка 2 курса магистратуры кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов, e-mail: vlasova.lena111@yandex.ru;
Белова Ангелина Ивановна, студентка 1 курса магистратуры кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Федорова Валерия Васильевна, аспирантка 3 курса кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Сычева Людмила Ивановна, к.т.н., профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Получены гипсовые смеси из а- и P-полугидратов сульфата кальция и изучено влияние добавок пластификаторов на их свойства. Определены зависимости водопоглощения и набора шликерной массы от состава гипсовых образцов. Показана взаимосвязь состава гипсовой смеси, вида и количества пластифицирующих добавок с прочностными и структурными характеристиками затвердевших образцов.
Ключевые слова: гипсовые вяжущие вещества, добавки, пластификатор, водопоглощение, пористость.
INFLUENCE OF ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF GYPSUM MOLDING MIXTURE
Vlasova E.Y., Belova A.I., Fedorova V.V., Sycheva L.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Gypsum mixtures of а - and P-semihydrates of calcium sulfate were obtained and the influence of plasticizer additives on their properties was studied. The dependences of water absorption and a set of slip mass on the composition of gypsum samples are determined. The relationship of the composition of the gypsum mixture, the types and amount of plasticizing additives with the strength and structural characteristics of the hardened samples is shown.
Keywords: gypsum binders, additives, plasticizer, water absorption, porosity.
Одной из областей применения гипсовых вяжущих является керамическая промышленность. Из гипса изготавливают модели, формы для производства посуды и санитарно-технических изделий из керамики. При заливке шликера в пористую форму происходит массоперенос воды из шликера, в результате чего начинается осаждение твердой фазы на внутренней поверхности формы и формирование керамического изделия. Скорость водоотдачи шликера в пористую форму и связанная с ней скорость образования слоя массы на стенке формы являются важнейшими характеристиками процесса литья.
Такие формы должны обладать повышенной прочностью и достаточной пористостью для быстрого водопоглощения и обезвоживания шликера. Пористость гипсовых форм для шликерного литья должна составлять 30-60%, водопоглощение 25-30%. Предел прочности форм при растяжении в 5-8 раз меньше их предела прочности при сжатии и составляет в среднем при растяжении до 3,5 МПа и при сжатии 14 МПа [1]. Добиваясь улучшения этих свойств, можно существенно повысить срок службы гипсовых форм и качество готовых керамических изделий. Однако слишком быстрое водопоглощение из шликера может привести к появлению на рельефе формы твердой корки, и впоследствии образованию на продукте складок. Помимо всего прочего, изделие может отставать от формы. В случае если вода
медленно впитывается из отливки, форма поглощает большое количество воды и размягчается, и продукт, таким образом, прилипает к ней.
Цель работы - определить взаимосвязь состава и свойств формовочных гипсовых смесей.
Материалы и методы исследования. В данной работе были использованы строительный гипс (Р-ПГ) производства ООО «КНАУФ ГИПС» и высокопрочный гипс (а-ПГ) ЗАО «Самарский гипсовый комбинат». Основные свойства вяжущих следующие. Нормальная густота а-ПГ равна 49 %, а Р-ПГ - 58 %. Сроки схватывания: начало - 10,5 и 8,0 минут, конец - 14,5 и 13,0, соответственно для а- и р-ПГ.
Для регулирования таких свойств, как водогипсовое отношение вяжущего, пластичность гипсового теста были выбраны пластифицирующие добавки: Ме1шеП Б150 (Р15) и Б1ка У18СоСге1е-02 (02), которые имеют разное строение. Ме1шеП Б150 - это сульфонированный порошковый продукт поликонденсации на основе меламина. Основой Б1ка У18СоСгйе-02 являются поликарбоксилатные эфиры. Добавки вводили в вяжущее в количестве от 0,1 и до 0,5 масс. %.
Для изучения взаимодействия шликера с гипсовым камнем применяли литейную массу ПФЛ-1 Б-6140. Влажность готового шликера составила 35%. Для увеличения текучести и снижения вязкости шликера при сохранении его влажности, в его состав
добавляли электролит - 10%-ный раствор силиката натрия.
Определение скорости набора массы шликера проводили методом гипсовых стерженьков. Гипсовый стержень, предварительно взвешенный, опускали в шликер на 3, 5, 7 и 10 минут. Затем стержень извлекали из шликера, давали возможность стечь его остаткам в течение 2-3 минут, после чего стержень с набранной массой шликера опять взвешивали [1].
Для определения скорости водонасыщения гипсовые образцы-балочки, высушенные до постоянной массы, вертикально ставили на смоченную водой мягкую подложку. Каждые 30 секунд проводили взвешивание образцов.
Результаты и их обсуждение. Была приготовлена гипсовая смесь из а-ПГ и Р-ПГ сульфата кальция состава 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ. Такой выбор состава смеси сделан на основании проведенных ранее исследований [2]. Свойства гипсовых смесей в ряду а-ПГ - Р-ПГ меняются пропорционально их составу.
Чем выше содержание а-ПГ сульфата кальция в смеси, тем выше прочностные характеристики
2 3 4 5
Время твердения, сутки
а-ПГ р-ПГ 6С1а-ПГ+40р-ПГ
Рис. 1. Прочность гипсовых образцов
гипсового камня и ниже значения пористости и водопоглощения. Так, прочность на сжатие высушенных до постоянной массы образцов из смеси состава 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ составила 14,8 МПа (рис. 1). Пористость и водопоглощение таких образцов были 36 и 24% соответственно, эти показатели близки к показателям промышленных гипсовых форм (рис. 2).
Водопоглощение гипсовыми образцами интенсивно протекает в первые 2-3 минуты контакта с влажной средой, затем оно снижается и после 10 минут процесс затухает (рис.3). Самым большим водопоглощением обладают образцы из Р-ПГ, оно достигает 1,0 г/см2. Образцы из а-ПГ имеют самое низкое водопоглощение - 0,45 г/см2. Состав 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ занимает промежуточное положение между образцами из а-ПГ и Р-ПГ. Интересно отметить, что средняя скорость водопоглощения у образцов из Р-ПГ и смеси 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ примерно одинаковая и составляет 0,056 г/см2-мин, в то время как для образцов из а-ПГ она достигает лишь 0,015 г/см2-мин.
р-ПГ
«Жо-пг+да/ор-пг
■ Порн:тС1ЛЬ ВодопоглощгнЕе
Рис. 2. Водопоглощение и пористость гипсовых образцов
1,0 I 0,8
I «.а I
Е 0,4
Э 0,2
т
0,0
—- -
V
/ .■Г'-1 -». ■ Ы _п—г._г
Г — -■ ■ — 1
Г
6 8 10 Время, мин
12
14
Рис. 3. Водопоглощение гипсовых образцов из вяжущих: 1 - а-ПГ; 2 - 60 а-ПГ + 40 р-ПГ; 3 - р-ПГ
2 0,8 о
Ъ 0,6 и
0,4
0,2
у —---- —■-
/ г р-ПГ а-ПГ
/ -*- 60а+40р
О 2 4 6 8 10
Время, мин
Рис. 4. Набор шликерной массы гипсовыми образцами
Была изучена скорость набора шликерной массы гипсовыми образцами. При погружении стержня в шликерную массу происходил массоперенос воды от шликера и его налипание на гипсовый образец. Если водопоглощение гипсовыми образцами длилось 10 минут, то набор шликерной массы активно проходил в первые 3-4 минуты. Гипсовый камень из затвердевшего Р-ПГ, вследствие его развитой поровой структуры, набрал 0,80 г/см2 массы
шликера. Для образцов из смеси состава 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ этот показатель был 0,78 г/см2 (рис. 4). По мере увлажнения гипсового стержня и налипания на него шликера процесс замедляется и далее набор массы шликера остается постоянным.
Несмотря на высокую скорость набора массы и величину водопоглощения образцов из Р-ПГ, это вяжущее не может быть рекомендовано в качестве материала для литейных форм в силу невысокой
прочности (8 МПа). Гипсовый камень из а-ПГ имеет высокую прочность 24 МПа и плотную структуру, но как следствие, обладает более низким набором массы шликера, чем образцы из Р-ПГ и смешанного вяжущего (рис. 4). В этом случае скорость набора шликерной массы гипсовым стержнем составила только 0,47 г/см2.
Таким образом, вяжущее состава 60%а-ПГ + 40%Р-ПГ имеет достаточно высокие значения прочности (14 МПа), пористости (35 %), набора шликерной массы (0,78 г/см2), которые близки к свойствам традиционных формовочных смесей, изготавливаемых из более дорогого высокопрочного гипса.
Для более тонкого регулирования свойств гипсовой смеси были использованы добавки пластификаторы. При введении пластифицирующей добавки в гипсовую смесь, происходит процесс избирательной адсорбции молекул ПАВ на поверхности частиц гипса. Это приводит к электростатическому диспергированию. Есть мнение, что пластификаторы на основе меламинформальдегида способствуют усилению процесса гидратации за счет изменения структуры
Таблица 1. Пористость гипсовых смесей с добавками
пластификаторов
Добавка, % а-ПГ ß-ПГ 60% а-ПГ+ 40% ß-ПГ
Melment F-15/Sika G-2
0 22,6 47,1 35,7
0,1 21,9/21,7 42,1/41,9 31,9/30,2
0,2 20,4/20,3 38,9/37,6 28,9/28,7
0,3 19,0/18,6 36,1/36,2 26,7/24,1
0,4 17,8/16,3 34,9/33,5 23,4/22,8
0,5 15,1/15,1 34,4/31,2 22,1/18,4
Заключение
Получены гипсовые смеси на основе высокопрочного и строительного гипса и определены их технические свойства. Установлено, что увеличение доли а-модификации полугидрата сульфата кальция в смеси приводит к снижению водопотребности вяжущего и уплотнению структуры гипсового камня.
В первые минуты контакта шликера с гипсовыми образцами из вяжущего состава 60%а-ПГ + 40%ß-ПГ, они активно поглощают воду из шликера. При этом происходит налипание частиц шликера на поверхность гипсового камня. По мере насыщения гипсовых образцов водой скорость процесса снижается с 0,27 до 0,1 г/см2-мин.
Установлено, что водопоглощение образцов из гипсовой смеси с добавками пластификаторов снижается незначительно, но протекает более длительно, с постоянной скоростью до полного водонасыщения гипсового образца.
Пластифицирующие добавки Melment F15G и Sika ViscoCrete G-2 применительно к гипсовым вяжущим обладают сильным водоредуцирующим эффектом, поэтому их применение более 0,1 % не целесообразно для вяжущего состава 60%а-ПГ +
жидкой фазы, а пластификаторы
поликарбоксилатного типа - за счет возбуждения активных поверхностных центров [3-4].
Добавки пластификаторов снижают
водопотребность гипсовой смеси на 11-13 % и пористость затвердевших образцов, увеличивают прочность гипсового камня на 10-15%. При введении пластификаторов Melment F15G и Sika ViscoCrete G-2 в количестве 0,5% масс. пористость гипсового камня состава 60% а-ПГ + 40% ß-ПГ снизилась с 35,7% до 22,1 и 18,4%, соответственно (таблица 1). Однако, поскольку в присутствии добавок пластификаторов гипсовые образцы имеют запас прочности, то повысить пористость таких образцов можно, увеличив водогипсовое отношение.
При увеличении концентрации добавки снижается скорость водопоглощения образцов. Процесс водопоглощения растягивается во времени, но значение этого параметра снижается незначительно с 0,7 до 0,65 г/см2. Средняя скорость водопоглощения пластифицированных образцов в течение первых 20 минут составила 0,022 г/см2-мин., причем вид и природа пластифицирующей добавки мало влияли на этот процесс (рис. 5).
0,8
S
s
f 0,4
b
I 0,2
m
о
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время, мин
Рис. 5. Водопоглощение образцов из гипсовой смеси 60% а-ПГ + 40% ß-ПГ
40%ß-nr, в случае использования его в качестве формовочной смеси.
Список литературы
1. Андрианов Н. Т., Балкевич В. Л., Беляков А. В. и др. Химическая технология керамики: учебное пособие для вузов. Под ред. Проф. И. Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2012 - 496 с.
2. Власова Е.Ю., Белова А.И., Сычева Л.И. Составы и свойства гипсовых формовочных смесей // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр.- 2019. - Том 33, № 4. - с. 48-50.
3. Baohong Guan, Qingqing Ye, Jiali Zhang, Wenbin Lou, Zhongbiao Wu. Interaction between a-calcium sulphate hemihydrate and superplasticizer from the point of adsorption characteristics, hydration and hardening process. Cement and Concrete Research 40 (2010), 253- 259.
4. Поторочина С.А., Новикова В.А., Гордина А.Ф. Влияние поликарбоксилатного пластификатора на технические параметры гипса // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т.1. №3. С. 1
