CC BY
12
УДК 666.914
Кашенкова Е.С., Аунг Чжо Ньеин, Потапова Е.Н.
ВЛИЯНИЕ ВИДА ЦЕМЕНТА НА СТРУКТУРУ ГИПСОЦЕМЕНТНО-ПУЦЦОЛАНОВОГО ВЯЖУЩЕГО
Кашенкова Елена Сергеевна - магистрант 2-го года обучения кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов; e-mail: [email protected]
Аунг Чжо Ньеин - аспирант 2-го года обучения факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Потапова Екатерина Николаевна - доктор технических наук, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены вопросы актуальности использования гипсовых вяжущих и методы повышения их водостойкости. Методом симплекс планирования эксперимента получены составы, характеризующиеся наибольшей прочностью и водостойкостью при минимальной пористости вяжущего. Показано, что при введении в состав гипсоцементно-пуццоланового вяжущего различных разновидностей портландцемента изменяется структура вяжущего, что отражается на его строительно-технических свойствах. Ключевые слова: гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, водостойкость, методы планирования эксперимента, модифицирующие добавки, структура.
INFLUENCE OF A COMPLEX OF ADDITIVES AND VARIOUS CEMENTS ON THE PROPERTIES OF GYPSUM BINDER
Kashenkova E.S.1, Aung Kyaw Nian1, Potapova E.N.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the relevance of the use of gypsum binders and methods of increasing their water resistance. Compositions characterized by the highest strength and water resistance with minimal porosity of the hinder were obtained by simplex experiment planning. It is shown that when the gypsum-cement-pozzolan binder of various varieties of Portland cement is introduced into the composition, the structure of the binder changes, which affects its construction and technical properties.
Keywords: gypsum-cement-pozzolan binder, water resistance, methods of experiment planning, modifying additives, structure.
Введение
Вяжущие вещества и материалы на их основе повсеместно применяются во всем мире. Гипсовые вяжущие заняли определенную нишу в категории строительных материалов еще со времен древних эпох далеко до первого появления и применения гидравлических вяжущих. В прошлом гипс использовали активно, в качестве дополнительного или главного компонента различных смесей, используемых для строительства, например, кладочных растворов, а также как декоративное вяжущее вещество для архитектурно-строительных целей и т.д. Природные залежи сырья образовались много миллионов лет назад при постепенном исчезновении мирового океана, в результате чего на данный момент мы имеем достаточно распространенное природное сырье (гипсовый камень, ангидрит). Данный вид воздушного вяжущего был и остается довольно распространенным. Известными примерами использования данного сырья являются: кладочные растворы и штукатурки на основе гипса для пирамиды Хеопса, гипсоизвестковые штукатурки во дворце Саргона в городе Мосул, архитектурный искусственный мрамор в постройках Древней Греции и Древнем Риме, гипсокартон, разработанный Саккетом [1].
Гипсовые вяжущие до сих пор остаются популярными среди строительных материалов, однако они имеют недостатки по сравнению с гидравлическими вяжущими, с которыми продолжают бороться. К ним относятся низкая водостойкость, ползучесть во влажных условиях, высокая водопотребность и за счет этого дальнейшее снижение строительно-технических показателей на фоне других вяжущих веществ, например, различных цементов и т.д. В связи с этим, актуальными остаются исследования, направленные на улучшения свойств гипсовых, вяжущих различными путями, например, применение многофункциональных добавок, комплексов различных добавок или использование композиционных материалов. Для решения данных актуальных проблем, зачастую используют метод повышения водостойкости гипсового материала, предложенный А.В. Волженским. Он предложил введение в гипсовые вяжущие активных минеральных добавок и портландцемента. Получаемое смешанное связующее - гипсоцементно-пуццолановое вяжущее - отличается повышенной водостойкостью, по сравнению с традиционными гипсовыми вяжущими. Данная модификация гипсового вяжущего была разработана впервые под его руководством в Московском государственном
строительном университете (бывший Куйбышевский МИСИ) в 30-40-х гг. прошлого века [2].
Соотношение компонентов в гипсоцементно-пуццолановом вяжущем определяют по специальной методике ТУ 2131-62-69 [3], которая учитывает гидравлическую активность цемента и пуццолановую активность минеральной добавки. Экспериментальная часть
Получить различные водостойкие
гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ) можно, изменяя соотношение между его компонентами или меняя разновидности цементов (ПЦ) и активных минеральных добавок (АМД) [4-6].
В работе использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства филиал ООО «ХайдельбергЦемент-Рус» пос. Новогуровский (ПЦ), гипсовое вяжущее производства ООО «Русгипс» марки Г-5 Б (II) (ГВ), сульфатостойкий цемент ЦЕМ II А-Ш 42,5Н СС «ЛипецкЦемент» (ССЦ), белый портландцемент БПЦ 1-500-ДО ООО <^тА» (БПЦ), активную минеральную добавку - метакаолин ООО «Пласт-Рифей» (АМД), гиперпластификатор МеШих 5581 (ГП), редиспергируемый полимерный порошок Vinnapas LL 5999/1 (РПП), эфир целлюлозы Месе1^е FMC 7550 (ЭЦ).
Рисунок 1 - Влияние вида цемента на структуру ГЦПВ, твердевшего 7 (а, в, д) и 28 (б, г, е) сут. Составы: 1 (а, б), 2 (в, г), 3 (д, е). Увеличение х 15 000
Содержание компонентов в составе ГЦПВ было определено по методике ТУ 2131-62-69 [3]. В зависимости от используемых компонентов получили три состава ГЦПВ, %: состав 1 - ГВ 57,15 + ПЦ 35,71 + АМД 7,14 ; состав 2 - ГВ 57,15 + БПЦ 35,71 + АМД 7,14; состав 3 - ГВ 53,34 + ССЦ 33,33 + АМД 13,33.
Для каждого состава ГЦПВ симплекс методом планирования эксперимента [7] определили количество модифицирующих добавок, при введении которых получали наибольшую прочность и водостойкость вяжущего при минимальной его пористости. Для состава 1- ГП - 0,19%; РПП - 0,26% и ЭЦ - 0,36%, для состава 2 - ГП - 0,2%; РПП -0,33% и ЭЦ - 0,34% и для состава 3 - ГП - 0,3%; РПП - 0,25% и ЭЦ - 0,3%.
Исследования структуры проводились при помощи сканирующей электронной микроскопии. Исследования выполнены в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках государственного контракта №13.ЦКП.21.0009. Результаты исследования показывают, что продуктами гидратации всех составов ГЦПВ являются двуводный сульфат кальция CaSO4•2H2O, и гидратные новообразования на основе гидроалюминатов и гидросиликатов кальция (рис. 1).
Микроструктура цементного камня состава 1 с ПЦ на 7 сут представлена сростками гидросиликатов и двуводного сульфата кальция, а на 28 сутки этот комплексный состав имеет уже плотную сросшуюся структуру, в которой сложно отличить единичные кристаллы (рис.1, б). Структура цементного камня состава 2 с БПЦ к 28 сут менее плотная. Кристаллы на 28 сут прорастают внутрь пор, что в свою очередь можно оценивать, как постепенное уплотнение структуры материала с течением времени (рис.1, г). Так же во втором составе кристаллы гипса имеют меньшие размеры до 3 нм, и они более различимы на некоторых участках, чем в других исследуемых составах, что свидетельствует о меньшем количестве образования других фаз в системе, и как следствие можно судить о меньшей водостойкости данного состава. В составе 3 с ССЦ структура плотная с большим количеством контактов между кристаллами, кристаллы покрыты твердым гелем гидросиликатов кальция, что свидетельствует о большей прочности данного состава.
Как видно, на всех структурах затвердевшего ГЦПВ происходит частичное или полное экранирование кристаллов двуводного гипса продуктами гидратации гидравлических вяжущих, что и обеспечивает в данном случае повышенную водостойкость проектируемых составов ГЦПВ. Так же стоит отметить, что по данным электронной микроскопии не было обнаружено кристаллов портландита, что говорит об успешности применения активной минеральной добавки в системе. АМД взаимодействует с Са(ОН)2 и обеспечивает образование гидросиликатов в виде кристаллов неопределенной формы, которые на
некоторых участках напоминают волокнистую структуру, заполняющих промежутки между более характерными крупными другими
кристаллообразованиями, что наглядно видно по снимкам на 7 сут у всех исследуемых составов (рис 1, а, в, д). К 28 сут твердения исследуемых систем гидросиликаты образуют плотный более твердый гель со средним размером кристаллов менее 2 нм и уже напоминают сморщенную сжатую фольгу, что свидетельствует о процессах уплотнения и увеличения поверхностей контактов кристаллов в системах, и, как следствие, увеличение прочности в системах.
Таким образом, в ходе исследования было показано, что использование различных видов цементов и комплекса модифицирующих добавок в составах ГЦПВ оказывает большое влияние на структуру затвердевшего материала. Исходя из вышесказанного, можно говорить о прогнозировании строительно-технических свойств вяжущего материала и влиянии на них за счет формирования определенной структуры затвердевшего материала. Исследования структуры комплексных составов ГЦПВ позволило определить, что при использовании в качестве цемента ССЦ формируется наиболее плотная структура, каркас которой составляют кристаллы двугидрата сульфата кальция, между которыми располагаются гидратные
новообразования цементного камня. Кристаллов эттрингита не наблюдается. Таким образом, мы можем прогнозировать большую прочность и водостойкость 3 состава в сравнении с остальными составами, что и было доказано в ходе дальнейших исследований.
Список литературы
1. Потапова Е.Н. История вяжущих материалов: учебное пособие. СПб: Издательство «Лань», 2018. 224 с.
2. Волженский А.В., Ферронская А.В. Гипсовые вяжущие и изделия (технология, свойства, применение). М.: Стройиздат. 1974. 328 с.
3. ТУ 2131-62-89 Гипсоцементнопуццолановое вяжущее. Технические условия. М.: Издательство стандартов. 1989. c. 17.
4. Butakova M.D., Gorbunov S.P. Study of the Influence of Complex Additives on Properties of the Gypsum-Cement-Puzzolan Binder and Concretes on Its Basis. International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016. 1461 - 1467.
5. Потапова Е.Н. ГЦПВ — как пример композиционного гипсового вяжущего// Alitinform №2 (63) 2021. C. 56-72.
6. Potapova E., Kyaw Nian A., Tsvetkova E., Fischer H. Modification of the structure of gypsum-cement-pozzolanic binder // MATEC Web of Conferences, 2020, 329, 04007.
7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М. Высшая школа, 1985. 366 с.
