CC BY
8
УДК 691.311
Белова А.И., Минкова П.А., Иванов П.И., Сычева Л.И.
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИФИКАТОРОВ НА ПОРОВУЮ СТРУКТУРУ ГИПСОВОГО КАМНЯ
Белова Ангелина Ивановна, студентка 2 курса магистратуры кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов, e-mail: angelbel0va@vandex.ru;
Минкова Полина Алексеевна, студентка 4 курса бакалавриата кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Иванов Павел Игоревич, главный специалист Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева;
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
Изучена поровая структура затвердевшего гипсового камня. Показано, что в присутствии пластифицирующих добавок изменяется удельная поверхность гипсового камня и размер пор. Установлена зависимость скорости и коэффициента капиллярного водопоглощения гипсового камня от количества и природы пластифицирующей добавки.
Ключевые слова: гипсовые вяжущие вещества, добавки, пластификатор, поровая структура, коэффициент капиллярного водопоглощения, удельная поверхность.
INFLUENCE OF PLASTICIZERS ON THE POROUS STRUCTURE OF GYPSUM STONE
Belova A.I., Minkova P.A., Ivanov P.I., Sycheva L.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The pore structure of the hardened gypsum stone has been studied. It is shown that in the presence ofplasticizing additives, the surface of the gypsum stone and the pore size change. The dependence of the rate and coefficient of capillary water absorption of gypsum stone on the amount and nature of the plasticizing additive has been established.
Keywords: gypsum binders, additives, plasticizer, pore structure, capillary water absorption coefficient, surface area.
Известно, что для улучшения и регулирования свойств гипсовых изделий часто используют различные функциональные добавки. Добавки суперпластификаторов применяют для снижения водопотребности и улучшения обрабатываемости вяжущих материалов, что приводит к повышению прочности и долговечности строительных материалов, однако, в научно-технической литературе мало публикаций о влиянии пластификаторов на поровую структуру гипсового камня.
Частицы вяжущих как при хранении, так и при смешивании с водой имеют тенденцию к агрегированию. Адсорбция молекул
суперпластификатора на поверхности зерен вяжущего приводит к диспергированию частиц за счет их электростатического и/или стерического отталкивания, при этом увеличивается подвижность теста и его удобоукладываемость [1].
Есть мнение, что часть суперпластификатора может встраиваться в кристаллическую решетку продуктов гидратации, а также адсорбироваться на поверхности капиллярных пор затвердевшего гипсового камня. Это приводит к увеличению объема пор размером менее 10 нм и уменьшению объема пор размером более 100 нм. Эти исследования выполнялись методом ртутной порометрии, что, по нашему мнению, не очень подходит для хрупкой структуры гипсового камня [2].
В связи с этим в рамках данного исследования была изучена поровая структура образцов гипсового камня методом низкотемпературной молекулярной адсорбции азота.
Цель работы - изучить влияние добавок пластификаторов разной природы на поровую структуру гипсового камня.
Материалы и методы исследования
В 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 39 %, а Р-ПГ - 50 %. Сроки схватывания: начало - 12,0 и 8,0 минут, конец - 20,5 и 14,0, соответственно для а- и Р-ПГ. '
Для регулирования свойств гипсовых, вяжущих были выбраны пластифицирующие добавки: Ме1шеП Б15 в (Ме1теП) и Б1ка ViscoCrete-G2 (02). Ме1шеП Б15 в - это суперпластификатор, представляющий собой сульфонированный порошковый продукт поликонденсации на основе меламина. Основой Sika ViscoCrete-G2 являются поликарбоксилатные эфиры. Принцип действия подобных пластификаторов основывается на изменении электроотрицательности ^-потенциала поверхности частиц гипсового вяжущего. При введении пластификатора, который адсорбируется на поверхностях частиц, ^-потенциал сильно смещается в отрицательную область и
происходит электростатическое диспергирование. Рассеивание частиц гипсового вяжущего происходит в начале гидратации. Таким образом, подвижность и перерабатываемость пластифицированного раствора значительно увеличиваются, а вот водопотребность смеси существенно снижается. Добавки вводили в вяжущее в количестве 0,1, 0,3 и 0,5 масс. %.
Анализ удельной поверхности гипсового камня проводился методом физической адсорбции азота на автоматическом анализаторе удельной поверхности и пористости ASAP 2020MP в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Для определения коэффициента капиллярного водопоглощения гипсовые образцы-балочки, высушенные до постоянной массы, помещали вертикально на фильтровальную бумагу и покрытую на 1-2 мм водой. Каждые 30 секунд проводили взвешивание образцов.
Результаты и их обсуждение
Была приготовлена гипсовая смесь из а-ПГ и в-ПГ сульфата кальция состава 60%а-ПГ + 40%в-ПГ. Такой выбор состава смеси сделан на основании проведенных ранее исследований [3]. Свойства гипсовой смеси в ряду а-ПГ - в-ПГ меняются пропорционально составу.
Чем выше содержание а-ПГ сульфата кальция в смеси, тем выше прочностные характеристики гипсового камня и ниже значения пористости и водопоглощения. Так, прочность гипсовых образцов из смеси состава 60%а-ПГ + 40%в-ПГ составила 15,9 МПа. Пористость и водопоглощение таких образцов -27 и 17% соответственно (рис. 1).
0,1 0,3
Концентрация добавки, % ■ Пористость с Melment % Пористость с Sika, %
Водопоглощение cMelment, % Водопоглощение с Sika, %
Рис. 1. Пористость и водопоглощение гипсового камня из смеси 60% а-ПГ + 40% в-ПГ
Установлено, что добавление пластификаторов снижает НГ гипсового теста. Добавка Б1ка 02 приводит к несколько большему снижению водопотребности, за счет стерического эффекта, создаваемого разветвленными боковыми цепями молекулы поликарбоксилата, чем добавка Ме1шеП;, которая имеет другое строение.
При введении добавок пластификаторов пористость гипсового камня значительно снижается, и, соответственно, снижается водопоглощение. Для гипсового камня из а-ПГ значения водопоглощения изменились с 17,3% для бездобавочного состава до 10,9% и 7,3% при введении 0,5% добавок Ме1шеП и Б1ка соответственно. Для гипсового камня из Р-ПГ значения водопоглощения изменились с 31,5 % для бездобавочного состава до 24,2 % и 22,1 % при введении такого же количества добавки Ме1шеП и Б1ка соответственно.
Гипсовый камень из а-ПГ имеет высокую прочность 24 МПа и плотную структуру, но как следствие, обладает более низкими показателями открытой пористости, чем образцы из Р-ПГ и их смеси.
Для определения размеров пор из изотермы адсорбции IV типа с помощью уравнения Кельвина используется область изотермы, включающая петлю гистерезиса, поскольку ее наличие доказывает, что в рассматриваемой системе имеет место капиллярная конденсация. Поэтому каждой величине адсорбированного газа в этой области соответствуют два значения относительного давления. Образование жидкой фазы из пара при любом давлении, меньшем давления насыщенного пара, не может происходить в отсутствие поверхности твердого тела, которое инициирует процесс конденсации. Внутри поры адсорбционная пленка играет роль зародышей, на которых происходит конденсация, когда относительное давление достигает величины, определяемой уравнением Кельвина. В обратном процессе, процессе испарения, проблемы зародышеобразования не возникает: жидкая фаза уже существует и испарение из мениска может происходить спонтанно, как только давление оказывается достаточно низким. Гистерезис возможен именно потому, что процессы конденсации и испарения происходят по-разному [4].
Была определена скорость капиллярного водопоглощения и рассчитан коэффициент капиллярного водопоглощения (ККВП) образцов гипса. Результаты представлены в таблице 1. Следует отметить, что пластификатор Б1ка в большей степени оказывает влияние на средний размер пор. Так, при введении добавки Ме1шеП в количестве 0,5% значение среднего диаметра пор по десорбции составляет 24,0299 нм, а при добавлении Б1ка в таком же количестве - 34,4194 нм.
В присутствии пластификаторов происходит уменьшение Буд гипсового камня, при этом общий объем пор в целом тоже уменьшается (рис. 2). Следует отметить, что средний размер пор проходит через экстремум, что подтверждается результатами расчета ККВП.
Таблица 1. Общие параметры поровой структуры гипсовых образцов
Состав вяжущего Сдоб, % НГ, % S№ м2/г V пор по адсорбции, см3/г V пор по десорбции, см3/г Средний размер пор, нм ККВП
По адсорбции По десорбции
60а-ПГ+40ß-ПГ - 44 0.6908 0.002696 0.003592 23.1670 22.1406 13,1
60а-ПГ+40ß-ПГ + Melment 0,1 43 0.4756 0.001998 0.002702 26.6991 24.8946 18,0
60 а-ПГ+40 ß-ПГ + Melment 0,3 41 0.3683 0.001970 0.002587 46.1351 37.3479 19,9
60а-ПГ+40ß-ПГ + Melment 0,5 36 0.3404 0.001602 0.002179 23.3321 24.0299 12,4
60а-ПГ+40%ß-ПГ+G2 0,1 42 0.4575 0.002146 0.002950 33.7695 30.9222 15,5
60%а-ПГ+40%ß-ПГ+G2 0,3 40 0.3991 0.002369 0.003146 41.0451 38.0810 16,3
60%а-ПГ+40%ß-ПГ+G2 0,5 35 0.3583 0.002382 0.003079 37.3338 34.4194 12,4
Чем больше размер пор, тем больше значения ККВП, так как более активное поглощение воды происходит порами большего размера. Максимальному размеру пор соответствует большее значение ККВП.
Так, для гипсового камня из бездобавочного состава гипсовой смеси 60% а-ПГ + 40% Р-ПГ средний размер пор соответствует значению 22,1406 нм, тогда как при введении пластификатора Ме1шеП Б15 в количестве 0,5 % масс. значение среднего диаметра пор возрастает до 24,0299 нм. Аналогично ведет себя образец при введении 02 в таком же количестве, размер пор увеличился до 34,4194 нм.
—Е'Д —Н5 0.1 Б15 0.5 —•— С20.1 —С20.5
Рис.2. Зависимость объема пор, рассчитанного по методу ЫН, от их размера
Применением пластифицирующих добавок можно добиться существенного повышения значения ККВП гипсового камня. Это происходит вследствие понижения водопотребности гипсового теста и соответствующего уплотнения структуры.
Заключение
Изучены свойства различных модификаций полугидратов сульфата кальция и их смеси 60% а-ПГ + 40% Р-ПГ. При увеличении массового содержания пластифицирующих добавок водопотребность гипсовых смесей уменьшается.
В присутствии пластифицирующих добавок прочностные характеристики гипсового камня заметно увеличиваются. К максимальной прочности приводит введение добавок в количестве 0,5%. Для смеси состава 60% а-ПГ + 40% ß-ПГ прочность через 2 часа возрастает с 6,5 МПа до 8,2 МПа с добавкой Melment и до 9,8 МПа с добавкой Sika соответственно.
Рассчитан коэффициент капиллярного водопоглощения. У образцов из бездобавочного состава 60% а-ПГ + 40% ß-ПГ он составил 13,1, тогда как при введении пластификаторов Melment и G2 в количестве 0,3% этот показатель вырос до 19,8 и 16,3 соответственно.
Самую плотную структуру имеют образцы с 0,5% добавлением Melment. Бездобавочный образец обладает самой развитой поровой структурой. Значения среднего размера пор гипсового камня проходят через максимум при введении пластификаторов Melment и G2 в количестве 0,3% масс.
Список литературы
1. Бурьянов А. Ф., Яковлев Г. И., Фишер Х.-Б. Модификация структуры и свойств строительных композитов на основе сульфата кальция. -Москва.: Изд-во Де Нова, 2012. - 196 с.
2. Mateusz Wyrzykowski, René Kiesewetter, Josef Kaufmann, Pore structure of mortars with cellulose ether additions - mercury intrusion porosimetry study / Wyrzykowski M., Kiesewetter R., Kaufmann J. // Cement & Concrete Composites. - 2014.
3. Власова Е.Ю., Белова А.И., Федорова В.В., Сычева Л.И. Влияние добавок на свойства гипсовой формовочной смеси // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр.- 2020. - Том 34, № 5. - с. 18-20.
4. Адамова Л.В., Сафронов А.П. Сорбционный метод исследования пористой структуры наноматериалов и удельной поверхности наноразмерных систем - Учебное пособие. Екатеринбург, 2008. - 62 с.
