CC BY
38УДК 666.914
А.Ф. ГОРДИНА1, инженер, И.С. ПОЛЯНСКИХ1, канд. техн. наук, Ю.В. ТОКАРЕВ1, канд. техн. наук; А.Ф. БУРЬЯНОВ2, д-р техн. наук; С.А. СЕНЬКОВ3, канд. техн. наук
1 Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
2 Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26)
3 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29)
Водостойкие гипсовые материалы, модифицированные цементом, микрокремнеземом и наноструктурами
Установлены различия в формировании структуры гипсового вяжущего при использовании многослойных углеродных наноструктур, цемента и микрокремнезема, вводимых совместно и раздельно, а также определено их влияние на физико-механические свойства получаемого материала. Выявлено оптимальное соотношение компонентов, вводимых совместно (цемент - 20%, микрокремнезем - 3%, многослойные углеродные нанотрубки - 0,005%), приводящее к повышению предела прочности при сжатии образцов в возрасте 14 сут на 95% и предела прочности при изгибе - на 81%. При этом достигается повышение коэффициента размягчения до 0,99 (контрольный состав - 0,76). Такое увеличение физико-механических показателей при совместном введении добавок происходит за счет формирования плотной прочной структуры кристаллов с увеличением плотности межфазной поверхности.
Ключевые слова: гипсовое вяжущее, многослойные углеродные нанотрубки, микрокремнезем, цемент, морфология.
A.F. GORDINA1, Engineer, I.S. POLYANSKIKH1, Candidate of Sciences (Engineering), Yu.V. TOKAREV1, Candidate of Sciences (Engineering); A.F. BUR'YANOV2, Doctor of Sciences (Engineering); S.A. SEN'KOV3, Candidate of Sciences (Engineering)
1 Izhevsk State Technical University named after Kalashnikov (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, Udmurt Republic, 426069, Russian Federation)
2 Moscow State University of Civil Engineering (26, Yarosskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
3 Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolskiy Avenue, Perm, 614990, Russian Federation)
Waterproof Gypsum Materials Modified by Cement, Microsilica, and Nanostructures
Differences in forming the structure of a gypsum binder when using multilayer carbon nanostructures, cement, and microsilica introduced simultaneously or separately are established; their influence on the physical-mechanical properties of the material obtained are also defined. The optimal ratio of the components introduced together (cement - 20%, microsilica -3%, multilayer carbon nanotubes - 0,005%), resulting in increased compressive strength of samples at the age of 14 days by 95% and flexural strength by 81% is revealed. In the process, the coefficient of softening increases up to 0,99 (a control composition - 0,76). This improvement of physical-mechanical properties in the course of joint introduction of additives takes place due to the formation of the dense, tight structure of crystals with increasing the density of inter-phase surface.
Keywords: gypsum binder, multilayer carbon nanotubes, microsilica, cement, morphology.
В строительном материаловедении получают широкое распространение материалы с применением отходов производства. В различных отраслях промышленности образуется большое количество отходов в виде ультра- и нанодисперсных порошков. Например, для получения прочных и водостойких бетонов широко применяют нанокремнезем [1] — ультрадисперсный порошок, который образуется попутно в результате конденсации из газовой фазы при выплавке кремниевых сплавов (ферросилиция, силикохрома, силико-марганца) [2].
В то же время актуально развитие бесклинкерных вяжущих. К таким материалам относятся гипсовые вяжущие вещества. Разработка эффективных гипсовых материалов невозможна без их модификации. Свойства гипсовых материалов (водостойкость, прочность и т. д.) во многом определяются состоянием и структурой матрицы. Различные добавки существенно влияют на протекание гидратации и формирование структуры минеральных вяжущих: изменяют размер и морфологию кристаллов, состояние межфазной поверхности, пористость и т. д.
Добавки частиц с нанометровым размером обладают высокой поверхностной энергией и химической активностью и оказывают более сильное влияние на формирование структуры граничных слоев минеральных матриц [3—5]. Введение в состав гипсовых вяжущих дисперсий углеродных нанотрубок приводит к повышению прочностных показателей и формированию прочной, плотной структуры [6, 7].
В 60-х гг. XX в. исследователями [8] было разработано прочное и водостойкое гипсовое вяжущее с активными минеральными добавками. Данные добавки содержат активный кремнезем, который приводит к стабилизации системы гипс—цемент. В связи с этим, было предположено, что прочностные свойства гипса должны увеличиваться при введении добавок в виде микрокремнезема и цемента.
Целью данной работы являлось установление влияния на водостойкость, прочностные характеристики и структуру гипсового вяжущего модифицирующих добавок, таких как наноструктуры, цемент и микрокремнезем, вводимых совместно или раздельно.
В качестве вяжущего использовался нормально твердеющий гипс средней степени помола марки Г-3 предприятия ООО «Прикамская гипсовая компания» (г. Пермь), соответствующий ГОСТ 125-79. В качестве наноструктур были использованы многослойные углеродные нанотрубки на основе Masterbatch CW2-45 французской корпорации «Аркема», вводимые в виде дисперсии. Дисперсия представляет гранулированную смесь углеродных нанотрубок (УНТ) в среде карбоксил-метилцеллюлозы, содержащей 45% многослойных углеродных нанотрубок. Masterbatch CW2-45 при механическом перемешивании с водой превращается в малоустойчивую дисперсию с включениями частиц микрометровых размеров.
Для модификации свойств гипсового вяжущего использовался микрокремнезем — побочный продукт металлургического производства при выплавке ферроси-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2014
35
5
$ 4
Ь
<в 1-
со £
I §
с о.
0 2
3
со 2
ей
о о. п
1 -
10 15
Содержание цемента, %
Рис. 1. Прочность гипсовой матрицы с добавлением многослойных углеродных нанотрубок, цемента и микрокремнезема
лиция и его сплавов, образующийся в результате восстановления углеродом кварца высокой чистоты в электропечах [2]. Кроме SiO2 в состав добавки также входят А1203, Fe2Oз, СаО, MgO, №2О, К20 и С. Средний размер частиц порошка микрокремнезема составляет 20 мкм.
Гипсовые образцы, модифицированные цементом, микрокремнеземом и углеродными наноструктурами, выдерживали в течение 14 сут при Т = 20оС с последующим проведением механических испытаний. Количество воды составляло 70%. Содержание многослойных углеродных нанотрубок принимали в количестве 0,005%; микрокремнезема — 3%; количество цемента варьировалось от 0 до 25% от массы вяжущего.
Механические испытания гипсовых образцов-балочек 40x40x160 мм проводили по стандартной методике с последующим изучением структуры образцов методом растровой электронной микроскопии (РЭМ).
Было установлено, что оптимальная концентрация цемента и микрокремнезема в составе гипсового вяжущего составляет 10 и 3% соответственно, при этом происходит повышение предела прочности при сжатии на 45%. Дальнейшее увеличение концентрации цемента приводит к постепенному падению прочности образцов. Улучшение механических характеристик возможно за счет взаимодействия микрокремнезема и цемента. При затворении водой цемента происходит образование свободных оксидов кальция. Активная добавка микрокремнезем вступает с ними во взаимодействие, таким образом регулируя щелочность среды и пред-
Содержание цемента *, % Коэффициент размягчения
0 0,76
5 0,99
10 0,91
15 0,91
20 0,96
25 0,98
Примечание. *С добавлением многослойных углеродных нанотрубок в количестве 0,005% и микрокремнезема - 3% от массы гипсового вяжущего
отвращаестя образование эттрингита. В результате взаимодействия гидроксида кальция и микрокремнезема происходит формирование гидросиликатов кальция, которые связывают кристаллы двуводного гипса и защищают от растворения водой.
Результаты механических испытаний гипсовых композиций показали, что введение нанодобавки в количестве 0,005% способствует повышению прочности при сжатии и изгибе (рис. 1).
Анализ результатов полученных зависимостей прочностных характеристик показал, что оптимальная концентрация цемента при введении нанодобавки и микрокремнезема, равна 20%. При совместном введении активных минеральных добавок и наносистем достигается повышение предела прочности при сжатии на 95% и при изгибе на 81%. Такие показатели связаны с формированием новообразований при взаимодействии микрокремнезема и цемента, а также за счет введения на-нодобавок. Нанотрубки, обладая высокой поверхностной энергией, играют роль центров кристаллизации, на поверхности которых происходит интенсивная кристаллизация новообразований. Данную гипотезу подтверждают результаты испытания по определению коэффициента размягчения гипсовых композиций при совместном введении добавок (см. таблицу).
Анализ ИК-спектров образцов без добавок и с добавлением цемента и нанотрубок показал, что интенсивность линий поглощения, соответствующих сульфатам ^О4) и воде (ОН-группы и Н20), изменяется незначительно. Однако следует отметить сильный сдвиг частот, соответствующих ОН- группе (3419,79 и 3404,36), сульфатов ^О4) (1182,36 и 1176,58) и силикатов (1085,92 и 1091,71), что свидетельствует о формировании гидросиликатов кальция. Это говорит о том, что добавка принимает непосредственное участие в формировании структуры гипсовой матрицы.
Рис. 2. Микроструктура гипсовой матрицы: а - без добавок; б - с цементом (10%) и микрокремнеземом; в - при совместном введении добавок (цемент - 20%, микрокремнезем - 3%, МУНТ - 0,005%)
6
0
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
36 июнь 2014 Ы ®
Микроструктурный анализ образцов без добавок показал (рис. 2, а), что в структуре преобладают призматические кристаллы, хаотично распределенные в объеме матрицы, длиной до 30 цм, достигающие в поперечнике 1—2 цм. В гипсовой матрице с добавлением цемента и микрокремнезема (рис. 2, б) также преобладает призматическая структура, но присутствуют новообразования, которые уплотняют матрицу. При совместном введении добавок (рис. 2, в) имеются участки с плотноупакован-ными кристаллами, покрытыми новообразованиями,
Список литературы
1. Хела Р., Марсалова Я. Возможности нанотехнологий в бетоне II Труды III Международной конференции «Нанотехнологии для экологичного и долговечного строительства». Каир (Египет). 14—17 марта 2010. С. 8—15
2. Брыков A. С., Камалиев Р. Т., Мокеев М. В. Влияние ультрадисперсных кремнеземов на гидратацию портландцемента II Журнал прикладной химии. 2010. Т. 83. № 2. С. 211-216.
3. Яковлев Г.И., Керене Я., Маева И.С., Хазеев Д.Р., Пудов ИА. Влияние дисперсий многослойных углеродных нанотрубок на структуру силикатного газобетона автоклавного твердения // Интеллектуальные системы в производстве. 2012. № 2. С. 180-186.
4. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Маева И.С., Корженко A., Бурьянов A^., Мачюлайтис Р. Модификация ангидритовых композиций многослойными углеродными нанотрубками // Строительные материалы. 2010. № 7. С. 25- 27
5. Jakovlev G.I., Pervushin G.N., Maeva I.S., Kerene Ja., Pudov I.A., Shajbadullina A.V., Korzhenko A., Bur'janov A.F., Sen'kov S.A. Modification of Construction Materials with Multi-Walled Carbon Nanotubes. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2013. No. 57, pp. 407-413.
6. Гордина АФ., Токарев Ю.В., Яковлев Г.И., Керене Я., Спудулис Э. Различия в формировании структуры гипсового вяжущего, модифицированного углеродными нанотрубками и известью II Строительные материалы. 2013. № 2. С. 34-38.
7. Gordina A.F., Tokarev Ju.V., Jakovlev G.I., Kerene Ja., Sychugov S.V., Ali El Sayed Mohamed Evaluation of the Influence of Ultradisperse Dust and Carbon Nanostructures on the Structure and Properties of Gypsum Binders. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2013. No. 57, pp. 334-342.
8. Волженский АВ., Роговой В.И., Стамбулко В.И. Гипсоцементные и гипсошлаковые вяжущие. М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1960. 168 с.
которые приводят к увеличению площади межфазной поверхности, снижению пористости, формированию более прочных контактов и повышению физико-механических показателей.
Таким образом, при совместном введении добавок происходит формирование плотной, прочной структуры кристаллов с увеличением плотности межфазной поверхности, в результате чего достигается повышение физико-механических показателей гипсовой матрицы.
References
1. Hela R., Marsalova J. Possibilities of nanotechnology in concrete. The II International Conference «Nanotechnology for green and sustainable construction». Cairo (Egypt). 14-17 march 2010, pp. 8-15.
2. Brykov A.S., Kamaliev R.T., Mokeev M.V. Influence of ultradispersed silica on the hydration of Portland cement. Zhurnalprikladnoi khimii. 2010. Vol. 83. No. 2, pp. 211-216. (In Russian).
3. Yakovlev G.I.; Kerene J.; Mayeva I.S.; Khazeev D.R.; Pudov I.A. Influence of the dispersions of multilayer carbon nanotubes on the structure of silicate gas concrete of autoclave hardening. Intellektual'nye sistemy v proizvod-stve. 2012. No. 2, pp. 180-186. (In Russian).
4. Jakovlev G.I., Pervushin G.N., Maeva I.S., Korzhenko A., Bur'janov A.F., Machjulajtis R. Modification anhydrite compositions multilayer carbon nanotubes. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2010. No. 7, pp. 25-27. (In Russian).
5. Jakovlev G.I., Pervushin G.N., Maeva I.S., Kerene Ja., Pudov I.A., Shajbadullina A.V., Korzhenko A., Bur'janov A.F., Sen'kov S.A. Modification of Construction Materials with Multi-Walled Carbon Nanotubes. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2013. No. 57, pp. 407-413.
6. Gordina A.F., Tokarev Ju.V., Jakovlev G.I., Kerene Ja., Spudulis Je. Difference in forming the structure of gypsum binder modified with carbon nanotubes and lime // Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 2, pp. 34-38. (In Russian).
7. Gordina A.F., Tokarev Ju.V., Jakovlev G.I., Kerene Ja., Sychugov S.V., Ali El Sayed Mohamed Evaluation of the Influence of Ultradisperse Dust and Carbon Nanostructures on the Structure and Properties of Gypsum Binders. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2013. No. 57, pp. 334-342.
8. Volzhenskiy A.V., Rogovoi M.M., Stambulko V.I. Gipsocementnye i gipsoshlakovye vjazhushhie [Gypsum-cement and gypsum-slag binders]. Moscow: State publishing house of literature on construction, architecture and construction materials, 1960. 168 p.
НОВОСй!
В Подмосковье открыт новый завод по производству изделий из газобетона
В г. Электросталь Московской области состоялось торжественное открытие завода по производству изделий из автоклавного ячеистого газобетона торговой марки DRAUBER. Предприятие, собственником которого является ООО «БФТ», будет выпускать полную линейку газобетонных блоков и армированных изделий.
К моменту открытия на заводе под контролем приглашенных немецких специалистов была введена в эксплуатацию полностью автоматизированная современная производственная линия, изготовленная и установленная компанией WEHRHAHN (ФРГ), позволяющая выпускать до 700 м3 газобетона в сутки (230 тыс. м3 в год). До конца года планируется оборудовать вторую автоматизированную производственную линию, изготовленную другой немецкой фирмой - 1У^а-Непке. Техническая оснащенность завода
и строгий контроль качества позволяют компании соблюдать при выпуске продукции идеальные геометрические и физико-механические параметры газобетонных блоков.
Суммарный объем выпускаемой продукции после выхода двух линий на полную проектную мощность составит более 590 тыс. м3 в год. Сумма инвестиций в проект составила 1,6 млрд р. Ожидаемый срок возврата инвестиций до 7 лет. Клиентами предприятия станут строительные организации Москвы и Московской области, а также индивидуальные застройщики. На данный момент БФТ получила предварительное согласие от потенциальных клиентов на покупку 90% планируемой к выпуску до конца года продукции.
По материалам компании «Билд Фаст Текнолоджи»
fj научно-технический и производственный журнал
® июнь 2014 37"
