Эффективные растворы на основе водостойкого гипсового вяжущего для наружной отделки

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Эффективные растворы на основе водостойкого гипсового вяжущего для наружной отделки

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Заикина Анна Сергеевна

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель	- доктор технических наук, профессор
	Коровяков Василий Федорович
Официальные оппоненты	- доктор технических наук, профессор Козлов Валерий Васильевич - кандидат технических наук Баранов Иван Митрофанович
Ведущая организация	- Всероссийский научно-исследовательский институт строительных материалов и конструкций (ВНИИСТРОМ) им. П.П.Будникова

Защита состоится «21» декабря 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. № 419 УЛК

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «18» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Потребность в штукатурных растворах растет с каждым годом, особенно в связи с развитием малоэтажного строительства и применением мелкоразмерных стеновых материалов из керамики, ячеистого и гипсового бетонов, которые требуют обязательного оштукатуривания. В настоящее время штукатурные растворы на гипсовых вяжущих, в том числе в виде сухих смесей, применяют только для внутренней отделки помещений ввиду их низких показателей по водо-, морозо- и атмосферостойкости.

Гипсовые растворы для наружной отделки в практике строительства не применяются в связи с выше перечисленными недостатками. Решение вопроса создания эффективных гипсовых растворных смесей для наружной отделки может быть осуществлено путем введения в них органоминеральных модификаторов (ОММ), включающих подобранную смесь портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, позволяющих повысить водостойкость, морозостойкость и атмосферостойкость штукатурного гипсового раствора.

Работа выполнена в соответствии с проектом «Разработка и оптимизация энерго-, ресурсосберегающих технологий производства и применения эффективных строительных материалов, изделий и конструкций» Министерства образования и науки РФ.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных растворов на основе водостойкого гипсового вяжущего для наружной отделки.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- обосновать возможность создания эффективных штукатурных растворов на основе гипсовых вяжущих путем модификации их органоминеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией специально подобранной смеси портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, обеспечивающего получение штукатурного раствора с требуемыми эксплуатационными свойствами;

- установить соотношение между компонентами в составе органоминерального модификатора для гипсовых штукатурных растворов;

- исследовать влияние органоминерального модификатора на основные физико-механические свойства модифицированного гипсового вяжущего (МГВ) и структуру получаемого камня;

- разработать состав модифицированного гипсового раствора (МГР);

получить количественные зависимости основных физико-механических свойств модифицированного гипсового раствора от его состава и вида модифицирующих добавок;

оптимизировать составы модифицированного гипсового раствора; штукатурный раствор гипсовый

исследовать основные свойства оптимальных составов модифицированного гипсового раствора;

- выбрать технологию получения модифицированного гипсового раствора в виде сухих смесей;

- разработать нормативно-технологическую документацию на производство и применение модифицированного гипсового раствора и провести опытно-промышленное опробование;

определить технико-экономические показатели применения модифицированных гипсовых растворов и рекомендовать рациональные области их применения.

Научная новизна

- обоснована возможность создания эффективных штукатурных растворов на основе гипсовых вяжущих путем модификации их органоминеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией специально подобранной смеси портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, при твердении которых образуются стабильные, водонерастворимые, цементирующие гидратные новообразования, формирующие структуру, которая обеспечивает высокие показатели эксплуатационных свойств;

- установлены многофакторные математические зависимости водопотребности от органоминерального модификатора, плотности растворной смеси и средней плотности раствора от заполнителя, прочности и водостойкости от органоминерального модификатора, заполнителя разработанных смесей.

- установлено, что на водопотребность в большей степени оказывает влияние содержание модификатора, а на среднюю плотность и плотность растворной смеси содержание заполнителя;

- доказано, что прочностные характеристики раствора и водостойкость зависят от компонентного состава модификатора, его количества в растворе и соотношения вяжущего с заполнителем, при этом, увеличение крупности заполнителя положительно влияет на прочностные характеристики;

- установлены зависимости прочностных и деформативных свойств, водостойкости, средней плотности, морозостойкости, объема и характера пор раствора от их состава, расхода вяжущего, водовяжущего отношения, расхода заполнителя;

- с помощью методов физико-химических исследований выявлен характер новообразований в виде кристаллов двугидрата сульфата кальция, который создает основной каркас, а также ультрадисперсных гидросиликатов типа CSH(B), гидроалюминатов, карбонатов кальция, портландита, которые обеспечивают водостойкость и морозостойкость раствора;

- с помощью элект-ронной микроскопии, 3-х стадийного насыщения выявлена слитная мелкокристаллическая структура с преобладанием в поровом пространстве условно замкнутых пор;.

- установлены периоды структурообразования различных составов МГВ и растворов на его основе при помощи калориметрии, необходимые для обеспечения жизнеспособности раствора.

Практическая значимость

Разработана технология модифицирования с помощью органоминерального модификатора гипсовых растворов, которая позволила разработать рациональные составы модифицированного гипсового раствора для наружной отделки.

Получены модифицированные гипсовые растворы для наружной отделки со следующими характеристиками: водоудерживающей способностью не менее 97%, прочностью на сжатие до 15 МПа, на изгиб до 5,3 МПа, морозостойкостью до 155 циклов, адгезией не менее 0,5 МПа, коэффициентом размягчения до 0,83.

Внедрение результатов исследований

Разработанные нормативные документы:

- технические условия на смесь штукатурную модифицированную гипсовую для наружных работ (ТУ 5745-009-04000633-2010) и инструкция по применению смеси штукатурной модифицированной гипсовой для наружных работ, были внедрены в производственных условиях на предприятии ООО «Стройэволюция» при производстве сухих смесей штукатурных модифицированных гипсовых для наружных работ в объеме 300 кг и опробованы в натурных (построечных) условиях при выполнении штукатурных работ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно - практических конференциях: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов» (Москва, 2007); «Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Одиннадцатая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов» (Москва, 2008); «Пятая Международная конференция "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий"» (Казань, 2010).

На защиту выносится:

- обоснование возможности создания эффективных штукатурных растворов на основе гипсовых вяжущих путем модификации их органоминеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией специально подобранной смеси портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, обеспечивающим получение штукатурного раствора с требуемыми эксплуатационными свойствами;

- многофакторные математические зависимости водопотребности, прочности, водостойкости разработанных смесей от их состава, соотношения компонентов с органоминеральным модификатором и заполнителем;

- зависимости прочности, водостойкости, средней плотности, морозостойкости, объема и характера пор раствора от их состава, расхода вяжущего, водовяжущего отношения, заполнителя и его крупности.

- результаты физико-химических исследований (РФА, ДСК), элект-ронной микроскопии и 3-х стадийного насыщения модифицированного гипсового раствора, а также начального структурообразования различных составов модифицированного гипсового вяжущего (МГВ) и модифицированного гипсового раствора (МГР) при помощи калориметрии.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, включающего 39 таблиц, 67 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Перспективным направлением развития промышленности строительных материалов являются строительные материалы и изделия, изготовляемые на основе гипсовых вяжущих (ГВ), которые отвечают всем современным требованиям по огнестойкости, звукопоглощению, по экологической безопасности во все этапы жизненного цикла изделия, начиная от добычи сырья и кончая утилизацией, по гигиеническим требованиям и степени безопасности для здоровья населения. Гипсовые вяжущие становятся все более востребованными еще и в связи с тем, что они являются самыми ресурсо- и энергосберегающими материалами (материалоемкость в 2,5 - 3 раза ниже, чем портландцемента, а энергозатраты ниже в 5 - 6 раз).

Практика строительства в последнее время показывает, что сухие строительные смеси имеют все более широкое применение, как для получения различных растворных смесей, так и бетонных. Мировой опыт использования сухих смесей показал их высокую эффективность по сравнению с традиционными бетонными и растворными смесями.

В настоящее время выпускается широкая номенклатура гипсовых сухих смесей для различных видов строительных работ с превосходными теплозащитными, звукоизоли-рующими и огнезащитными свойствам, а по декоративным и экологическим показателям они не имеют себе равных в строительстве.

Гипсовые сухие смеси применяются в строительстве в настоящее время только для внутренних работ.

В связи с этим актуальной проблемой является создание эффективных штукатурных растворов на основе водостойкого гипсового вяжущего для наружной отделки.

Эта проблема в данной диссертации решена путем модификации гипсовых вяжущих и растворов специально полученным органоминеральным модификатором.

Факторами, ограничивающими область применения гипсовых растворов, являются их низкие водо -, морозо- и атмосферостойкость.

Обобщая данные многих ученых в области гипсовых материалов можно резюмировать, что низкая водостойкость ГВ обусловлена высокой растворимостью двуводного сульфата кальция, его высокой проницаемостью и расклинивающим действием молекул воды при проникании в межкристаллические полости. Структура затвердевшего гипса характеризуется высокой сообщающейся пористостью с размером пор в пределах 1,5…3 мкм, удлиненными кристаллами двуводного гипса, которые имеют между собой точечные соединения, имеющие тенденцию к разрыву при небольших напряжениях. Кроме того двуводный гипс характеризуется достаточно большим объемом межплоскостных (межкристаллических) пространств (полостей), в которые проникает вода, ослабляя связи и вымывая гипс. Все это приводит к значительному снижению прочности и размыванию гипсовых отливок под действием воды.

Анализ многочисленных способов повышения водостойкости гипсовых материалов следует, что для получения водостойких гипсовых растворов наиболее приемлемым способом является модифицирование гипсового вяжущего в растворе добавками, обеспечивающими в процессе твердения образование нерастворимых соединений, защищающих кристаллы гипса от растворения.

Теоретические основы создания водостойких гипсовых вяжущих в виде гипсоцементно-пуццолановых и гипсошлакоцементно-пуццолановых вяжущих веществ (ГЦПВ, ГШЦПВ) разработаны в МИСИ им. В.В. Куйбышева (МГСУ).

Дальнейшие исследования позволили получить гипсоцементно-пуццолановые вяжущие нового поколения - композиционные гипсовые вяжущие низкой водопотребности (КГВ).

В соответствии с этими основами КГВ представляют собой гомогенную смесь компонентов разной дисперсности, один из которых, преобладающий в составе, выполняет функции регулирования схватывания и быстрого твердения (одна из модификаций сульфата кальция), другие - обеспечивают гидравличность вяжущего и стойкость сложившейся структуры во времени.

Для выполнения исследований была принята следующая рабочая гипотеза: для получения штукатурного раствора с заданными свойствами, в гипсовое вяжущее для него или в растворную смесь необходимо ввести модификатор, получаемый совместной механо-химической активацией оптимально подобранной смеси портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, при твердении которых образуются стабильные, водонерастворимые, цементирующие гидратные новообразования, формирующие структуру, которая обеспечивает требуемые свойства строительному раствору. При этом необходимо соблюсти следующие принципы:

- оптимальное соотношение между компонентами модификатора обеспечивает заданные свойства;

- компоненты должны характеризоваться определенной тонкостью помола и грануло-метрией;

- регулирование свойств вяжущего и обеспечение его долговечности дости-гается правильным выбором добавок и соотношением компонентов.

Для выполнения исследований применялись следующие исходные сырьевые материалы:

- гипсовое вяжущее марки Г-7 БI Пешеланского завода, химический состав гипсового вяжущего приведен в таблице 1, физико-механические свойства в таблице 2;

Таблица 1 Химический состав гипсового вяжущего

Содержание оксидов, %	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	SO3	MgO
	1,2	0,18	0,1	54,8	42	1,0

Таблица 2 Физико-механические свойства гипсового вяжущего

№ п/п	Показатель	Единица измерения	Гипсовое вяжущее, пробы
			1	2	3
1	Тонкость помола, остаток на сите № 02	%	22	21,5	21
2	Нормальная густота	%	55	53	54
3	Сроки схватывания: - начало - конец	мин.	8,30 11,0	8,20 10,55	8,40 11,05
4	Предел прочности при изгибе: - через 2 часа - в высушенном до постоянной массы состоянии	МПа	3,7 8,2	3,5 6,7	3,75 8,4
5	Предел прочности при сжатии: - через 2 часа - в высушенном до постоянной массы состоянии	МПа	7,6 14,4	7,2 12,6	8,8 16,6

- портландцементы ОАО «Щуровский завод» марки М400 с нормальной густотой 25%; ОАО «Вольскцемент» марки М500 с нормальной густотой 27,5%; ЗАО «Михайловцемент» марки М400 с нормальной густотой 24% соответствующие ГОСТ 10178-85 и отличающиеся содержанием трехкальциевого алюмината;

- микрокремнезем Новокузнецкого комбината по ТУ 5743-048-02495332-96 «Микрокремнезем конденсированный. Технические условия» химического состава приведённого в таблице 3; Таблица 3

Химический состав микрокремнезема

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	C	S
95,33%	0,56%	1,0%	0,98%	0,7%	0,18%	0,11%	0,98%	0,16%

- суперпластификатор С-3 по ТУ 6-36-0204229-625-90 «Пластификатор С-3. Технические условия» и другие добавки, приведенные в диссертационной работе;

- кварцевый песок - рядовой (ОАО «Тучковский комбинат строительных материалов», ООО «Чапаевский силикатный завод», ОАО «Вяземский щебёночный завод») показатели свойств и качественных характеристик песков приведены в таблице 4. Таблица 4

Показатели свойств и качественных характеристик песков

Вид песка	Частные остатки, % по массе на ситах с размером отверстий, мм	Модуль крупности, Мк	Насыпная плотность, т/куб.м	Пустотность, %
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,16
ОАО «Тучковский комбинат строительных материалов»	1,1	15,6	14,6	36,7	26	2,11	1,66	36,15
ООО «Чапаевский силикатный завод»	0	1	18,9	30	32,7	1,53	1,35	48,07
ОАО «Вяземский щебёночный завод»	5,0	13	30,4	35,5	12	2,54	1,5	42,31

Для оценки свойств минеральных добавок определялась их активность по поглощению гидроксида кальция в твердеющей системе (не выше 1,1 и 0,85 г/л - в пересчете на оксид кальция), соответственно, на 5-е и 7-е сут. (по ТУ 21-31-62-89 - Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее). Установлена концентрация СаО в препаратах таблица 5 и рисунок 1. Таблица 5

Кинетика поглощения гидроксида кальция

№№ состава	Удельная поверхность м2/кг	Доля добавки к массе цемента	Концентрация CaO, г/л, через сут.
	песка	ПЦ	песка	МК	суммарно	5	7	28
1	964	326	1,0	-	1,0	1,16	1,10	-
2	964	326	1,5	-	1,5	1,11	1,05	-
3	748	560	1,0	-	1,0	1,12	1,04	0,87
4	748	560	1,5	-	1,5	1,10	1,02	-
5	748	560	1,0	0,04	1,04	0,97	0,83	0,42
6	748	560	2,0	0,04	2,04	0,94	0,81	-
7	748	560	0,9	0,1	1,0	0,92	0,79	0,41
8	748	560	0,9	0,2	1,1	0,87	0,80	-

Для обеспечения стабильности гипсоцементно-кремнеземистых композиций с учетом полученных данных выбираем следующие соотношение между портландцементом и кремнеземистым компонентом в ОММ: портландцемента 1 часть, микрокремнезема - 0,1 части, молотого песка 0,5 части.

Эксплуатационные характеристики растворов определяются видом и свойствами вяжущего (скоростью твердения, тонкостью помола, составом и др.). Для уменьшения водопотребности применялся суперпластификатор С-3, а также в работе были проведены сравнительные исследования влияния содержания модификатора ОММ на кварцевом песке в диапазонах согласно таблице 6 и влияние других кремнеземистых добавок (на перлитовом песке, только с микрокремнеземом, ГЦПВ и ГВ), приведенных в диссертационной работе.



Рис. 1 изменение концентрации СаО в препаратах: а). на 5 сутки; б). на 7-е сутки.

Анализ полученных результатов показал эффективность применения суперпластификатора С-3, при дозировке от 0,5% он значительно увеличивает подвижность смеси а также оказывает положительное влияние на прочность и плотность системы в целом (рис. 2).

В результате проведенных исследований установили, что с использова-нием ГВ марок Г5 и 7, и ОММ в количестве не менее 20% с содержанием С-3 от 0,5% в пере-счете на вяжущее, можно получать МГВ с марочной прочностью от 10 до 19,7 МПа (при расплыве теста180 мм). Коэффициент размягчения МГВ возрастает до 0,82 по мере увеличения содержания портландцемента и вида минеральной добавки в ОММ. В дальнейших исследованиях использовали состав органоминерального модификатора КП-11. Таблица 6

Составы вяжущих на кварцевом песке

Шифр состава	Состав вяжущего, % по массе	Нормальная густота
	Гипсовое вяжущее	Органоминеральный модификатор, в т. ч.
		Портландцемент	Кремнеземистая добавка	Микрокремнезем	С-3
КП-1	90	5	3	0,5	0	0,54
КП-2	88	5	5	0,5	0	0,53
КП-3	80	8	10	0,8	0	0,49
КП-4	80	10	8	0,1	0	0,48
КП-5	70	14	13	1,4	0	0,46
КП-6	70	10	17	1,0	0	0,43
КП-7	90	5	3	0,5	0,5	0,49
КП-8	88,75	5	5	0,5	0,75	0,44
КП-9	87	5	5	0,5	1,0	0,36
КП-10 КП-10-1	80	8	10	0,8 0,8	0,5 1,0	0,42 0,32
КП-11 КП-11-1	72,3	17	8,5	1,7 1,7	0,5 1,0	0,37 0,31
КП-12 КП-12-1	70	14	13	1,5 1,5	0,5 1,0	0,38 0,31
КП-13	70	10	17	1,0	1,0	0,30
КП-14	69	14	13	1,5	1,0	0,30

Для регулирования сроков схватывания вяжущего использовали винную кислоту. Эффективный замедлитель сроков схватывания - винная кислота дозировкой 0,1-0,2 % от массы вяжущего регулирует сроки схватывания в пределах: начало с 4 до 46 мин, конец с 7 до 81 мин.

Рис. 2 Прочность на сжатие составов (в соотв. с табл. 6) в зависимости от В/Вяж отношения и количества С-3

В ходе проведения трехфакторного эксперимента в соответствии с матрицей плана Бокса-Бенкина были определены оптимальные составы МГР, свойства которых нашли свое экспериментальное подтверждение. Адекватность расчетных и экспериментальных данных оценивалась по критерию Фишера.

В диссертационной работе были изучены влияние количества заполнителя (песка), его крупности, а также количества модификатора. Основные уравнения регрессии, описывающие зависимости прочности (R₂₈) и коэффициента размягчения камня (Кр) от количества органоминерального модификатора (Х1), количества заполнителя (Х2) и модуля его крупности (Х3), будут иметь вид:

R₂₈= 14,1+0,9Х₁-0,4Х₂ +2,1Х₃ - 0,37Х₁Х₂ - 0,21Х₁Х₃ + 0,3Х₂Х₃ + 0,03Х₁Х₂Х₃

Кр= 0,68 + 0,049Х₁ - 0,004Х₂ + 0,03Х₃ + 0,024Х₁Х₂ + 0,029Х₁Х₃ + 0,0063Х₂Х₃ + 0,0019Х₁Х₂Х₃

Установлено, что оптимальное содержание ОММ в МГР составляет 27,7% от массы вяжущего, а количество зернистого песка с М_кр=2 к массе вяжущего - 1:1.

Для оценки влияния зернового состава заполнителя на технические свойства растворных смесей произведен подбор оптимального состава кварцевого песка.

Для достижения оптимальной упаковки зерен использовалась смесь зерен различного размера. Результат подбора оптимизированного состава заполнителя с различной степенью точности относительно «идеальной» кривой рассеивания представлены на рис. 3 а, б.

Рис. 3 Гранулометрические кривые песков: а) различных карьеров; б) оптимизированного состава заполнителя.

Обобщенные результаты таких испытаний на вышеуказанных песках представлены в табл. 7. Таблица 7

Данные испытаний заполнителей при различных составах

№ №	Состав раствора (МГВ : песок по массе)	Вид песка	Rсж, МПа, 7 сут. в КНХ	Rсж, МПа, 28 сут. в КНХ	Примечание
1	1 : 0	-	8,1	19,7	При постоянной подвижности Пк2 (4-8 см)
2	1: 0,5	Рядовой (Мк=2,1)	7,1	17,8
3	1: 0,5	Оптимизированный (Мк=2)	7,3	18,1
4	1: 1	Оптимизированный (Мк=2)	7,0	17,3
5	1 : 1	Рядовой (Мк=2,1)	6,9	17,0
6	1 : 1	Рядовой (Мк=1,5)	7,0	17,2
7	1 : 1	Рядовой (Мк=2,5)	6,7	14,9
8	1: 1,5	Рядовой (Мк=2,1)	6,3	12,9
9	1: 2	Оптимизированный (Мк=2)	6,2	13,3
10	1: 2	Рядовой (Мк=2,1)	5,4	10,1
11	1: 3	Рядовой (Мк=2,1)	4,1	7,8

Поскольку затраты на обогащение песка относительно велики по сравнению с получаемым эффектом, то рекомендуется применять рядовой песок с отсевом крупной фракции свыше 2,5 мм.

Результаты исследований водоудерживающей способности показывает, что смеси с добавками МЦ и ЛСТ характеризуются низкими показателями водоудерживающей способности 96,97 и 96,4 %, штукатурная смесь Rotband, состав с добавками ПВАД, Mecellose FMC 7150 при дозировке 0,5% и оптимальный растворный состав МГР показали высокие значения водоудерживающей способности до 98,3%. При этом все составы обладают водоудерживающей способностью, превышающей нормативные требования.

Результаты испытаний на попеременное высушивание и водонасыщение показали, что после 45 циклов испытаний прочность образцов из МГР практически не изменилась. Это подтверждает высокую стабильность структуры камня из МГР (табл. 8).

Таблица 8 Прочность образцов составов МГР при попеременном высушивании и водонасыщении

Обозначение состава	Прочность при сжатии (в сухом состоянии), МПа, после n циклов испытаний
	0	15	25	35	45	55	65
С-1	21,8	22,4	22,8	23,4	22,0	21,1	19,8
С-2	18,6	19,4	20,6	21,2	20,5	19,7	17,9

Деформация усадки имеют затухающий характер в период от одного до трех месяцев с последующей стабилизацией значений, которые достигают в среднем 0,2 % в зависимости от количества песка и гидравлического компонента в сухой смеси. Суммарная величина деформаций за 4,5 месяца твердения в воде составляет 0,17...0,22 %. Начиная со ста суток деформации стабилизировались, что говорит о правильно выбранном составе МГВ в растворе (рис. 4а).

Одним из методов оценки долговечности поверхностных отделочных слоев является определение их морозостойкости путем испытаний на многократное попеременное замораживание и оттаивание, приводящее к многократным изменениям объема, возник-новению внутренних напряжений и в результате - к нарушению структуры материала.

Результаты испытания, приведенные на рисунке 4б, показывают, что предел прочности при сжатии образцов оптимального состава после 150 циклов испытаний характеризуется приростом прочности в сравнении с контрольными на 12,1% при нулевых потерях массы. По-видимому, это объясняется не только содержанием гидравлической составляющей, но и физико - химическими процессами, протекающими в растворном камне, а именно демпфирующими действиями композита в отношении структурных напряжений вызываемых замерзающими кристаллами льда, и это в свою очередь подтверждает высокую стабильность структуры камня из МГР.

Добавки ПВАД и ГКЖ не дали положительного эффекта при испытаниях на морозостойкость.

Рис. 4 а) Деформации образцов из МГР; б) Изменение прочности образцов оптимального состава МГР и состава с добавками ПВАД, ГКЖ при попеременном замораживании - оттаивании.

Совместная работа склеиваемых элементов в конструкции зависит от монолитности их соединений, причем система является монолитной, если ее разрушение определяется потерей несущей способности склеиваемых элементов.

Анализ данных приведенных в табл. 9 свидетельствует, что более высокой прочностью сцепления обладают покрытия на бетонной подложке, что видимо, обусловлено сродством одного из компонентов смеси - портландцемента с бетонной плиткой. Введение добавок поливинилацетатной дисперсии и метилсиликаната натрия в количестве 8% от массы затворителя и 0,2% от массы вяжущего, соответственно способствует повышению прочности сцепления, составляющей на кирпичной подложке в среднем 0,78 МПа в проектном возрасте 28 суток. В целом увеличение содержания добавок ГКЖ и ПВА незначительно увеличивает прочность сцепления на гипсовых подложках (0,76 против 0,72 МПа, соответственно).

Таблица 9 Результаты определения прочности сцепления раствора с различными материалами

№	Шифр состава	Показатели при основании различной подложки (характер разрушения)
		Бет. плита	Кирпич	Гипс
1	С-1 оптимиз.	0,8 (А по шву) 0,97 (А по шву) 1,03 (А по шву)	0,43 (К по подложке) 0,61 (А по шву) 0,65 (К по подложке)	0,62 (К по подложке) 0,61 (К по подложке) 0,92 (К по подложке)
2	С-2	0,74 (А по шву) 1,0 (А по шву) 0,69 (А по шву)	0,85 (А по шву) 0,78 (К по подложке) 0,71 (А по шву)	0,7 (А по шву) 0,79 (А по шву) 0,81 (К по подложке)
Примечание: А - адгезия; К - когезия.

В диссертационной работе были проведены комплексные исследования фазового состава, процессов гидратации и структурообразования камня на МГВ методом измерения кинетики изменения температуры в твердеющих растворе, а также рентгеноструктурного анализа и синхронной дифференциально-сканирующей калориметрии и термогравиметрии в разные сроки твердения. Анализ кривых, показывающих изменения (рис. 5 а) температуры растворов на ГВ с содержанием заполнителя в 5%, 50%, оптимального состава МГР и без добавления замедлителей схватывания в композиции, показал следующее:

- состав с содержанием 5% заполнителя имеет наиболее интенсивный характер тепловыделения. В составе максимальная температура в 44,4 ⁰С достигается на 24,5 минуте, при периоде обрабатываемости раствора в 9…15 мин;

- состав с содержанием 50 % заполнителя (по массе) имеет несколько менее выраженное тепловыделение (43 ⁰С на 32,5 минуте наблюдения) при сроках схватывания раствора в 8…14 минут;

- раствор оптимального состава 1:1 на основе модифицированного гипсового вяжущего и песка с Мк=2,0 занимает промежуточное положение среди вышеуказанных составов (температура составляет всего 40,2 ⁰С на 23 минуте начального формирования структуры камня при ее сроках всего в 4…7 минут).

Кинетика изменения температуры (рис. 5 б) в составах МГР с замедлителем схватывания в количестве 0,2% от массы МГВ и содержанием заполнителя различной крупности, практически схожа.

Рис. 5 Изменение температуры: а) твердеющих растворов без замедлителей схватывания: ГВ+П (95+5), ГВ+П (1:1) и МГР (27,7% ОММ); б) твердеющих растворов МГР оптимальных составов (27,7% ОММ) с 0,2% замедлителя и с заполнителем различной крупности Мк=1,5; 2,0; 2,5.

Твердение и структурообразование раствора является важнейшей стадией, определяющей дальнейшее качество затвердевшего раствора. Управление этим процессом необходимо для установления жизнеспособности растворной смеси на стадии применения. Значительный подъем температуры позволяет применять разработанные растворы и при отрицательных температурах, о чем свидетельствуют результаты и других исследователей.

Идентификация продуктов гидратации с помощью рентгенофазовой дифрактометрии образцов в возрасте 1, 28 сут., 1 год показала следующее. У всех образцов состава МГР видны сильные линии дигидрата сульфата кальция (d = 7,52; 4,26; 4,25; 3,79; 3,33; 2,86 ?), кальцита (d = 3,05; 2,44; 2,18; 1,89; 1,87; 1,84; 1,81 ?), кремнезема (d = 3,33; 3,30; 2,45; 2,27 ?) эттрингита (d = 9,62; 9,6; 5,9; 5,5; 4,88; 4,64; 3,79; 2,86; 2,6; 2,27; 1,77 ?), непрореагировавшей части трехкальциевого силиката (d = 2,73; 2,77 и др.), линии портландита (d = 3,15; 1,796 ?), кварцевого песка (d = 4,26; 4,25; 3,2; 3,0; 2,3; 1,81; 1,79; 1,54; 1,53; 1,38; 1,37; 1,24; 1,22 ?).

Характерных линий отражения гидросиликатов типа CSH-В (d = 3,04; 2,80; 1,82 ?) не удалось обнаружить на рентгенограммах всех образцов, поскольку при избыточном количестве гипса и малом количестве клинкера сильные линии отражения дигидрата сульфата кальция полностью перекрывают более слабые линии гидросиликатов кальция, но отмечены линии с d = 11,75; 9,62; 4,88 ?, которые также идентифицируют низкоосновные гидросиликаты кальция.

На рентгенограммах проб образцов в возрасте 1 год (рис. 6 а) установлены сильные линии дигидрата сульфата кальция. Линии эттрингита той же интенсивности, что и в 28 суточном возрасте. Несколько уменьшилась интенсивность линий C₃S и Ca(OH)₂ что свидетельствует о продолжающейся гидратации и связывании гидроксида кальция кремнеземом и углекислотой воздуха. Этим объясняется и нарастание прочности образцов по мере дальнейшей выдержки. Таким образом, установлено, что при гидратации МГР оптимального состава образуются двуводный гипс, кальцит, эттрингит, низкоосновные гидросиликаты кальция. Причем, основное количество эттрингита образуется в начальные сроки твердения, что подтверждается стабильностью интенсивности линий эттрингита в разные сроки твердения. Не наблюдается и перекристаллизации трехкальциевого гидросульфоалюмината в монокальциевый гидросульфоалюминат. Все это указывает на образование более прочной и слитной структуры конгломерата.

Термограммы образцов в возрасте 1 сут, 28 сут. твердения в нормальных условиях (t-20 ⁰С, относительная влажность воздуха 98 %), характеризуются следующими основными эндотермическими эффектами. Первый сдвоенный эффект с максимумами при температуре 140…220 ^оС характерен для двуводного гипса; второй - при температуре 220…480 ^оС характерен для дигидрата сульфата кальция и связан с перестройкой, инверсией его кристаллической решетки при переходе растворимого ангидрита в нерастворимый; Эндоэффект при 575 ⁰С характерен для превращения модификаций кварца (б > в). Эндоэффект от 800 ⁰С связан с гидросиликатом кальция типа СSH(В), а в пике 850 ⁰С связан с диссоциацией кальцита; Эндотермические эффекты при 500 ⁰С и 860 ⁰С характерны для соединений гидросиликата кальция типа С2SH-В и типа СSН-В а также диссоциацией кальцита. Эндоэффект при 575 ⁰С характерен для превращения модификаций кварца (б-SiO2 > в-SiO2).

На термограмме образцов в возрасте 1 год (рис. 6 б) твердения установлены аналогичные эндотермические эффекты, что и у предыдущих образцов. Кроме того наблюдается некоторое смещение эффектов в сторону повышенных температур, связанное с более упрочненной структурой камня. Более выраженный эндоэффект дегидратации гидросиликата кальция при 500 ⁰С. А также при 825 ⁰С наблюдается более выраженная кристаллизация CS гидросиликата кальция типа CSH-В.



Рис. 6 а) Рентгенограммы образцов состава МГР годового возраста твердения; б) Термограммы продуктов гидратации исследуемых образцов МГР в возрасте 1 год твердения в нормальных условиях

По результатам синхронного анализа ДСК + ТГ проб камня МГР образцы суточного твердения теряют 16,66%, образцы 28 сут твердения -- 19,97%, а образцы 1 год твердения в нормальных условиях 23,73 %, что свидетельствует о достаточной интенсивности гидратации.

Электронно-микроскопические исследования образцов МГР показали различия в плотности упаковки новообразованных кристаллов ультрадисперсных частиц органоминерального модификатора и их морфологии. В композите МГР изменяется характер распределения пор по размерам в сторону уменьшения объема крупных и увеличения доли мелких, увеличивается количество замкнутых пор, равномерно распределенных по объему композита. Уменьшается общая пористость камня МГР в сравнении с прототипом R-1 (табл. 10).

Оценка пористой структуры производилась по методу трехстадийного насыщения образцов, который также позволяет спрогнозировать морозостойкость материала. Объем пор каждой группы определялся экспериментально в результате трех последовательных стадий насыщения раствора водой. Для сравнения определяли пористость камня из оптимального состава, состава с присутствием добавок ГКЖ-11, дисперсии поливинилацетата и состава для внутренних отделочных работ (Rotband).

Таблица 10 Показатели водопоглощения и характеристика пористости

Шифр состава	Водопотр. при Пк2, %	Ср. плотность в сухом сост., кг/м3	Водопоглоще-ние по массе, %	Общий объем пор, %	Объем открытых пор, %	Объем условно замкнутых пор, %	Объём межпорового пространства, %
С-1	23	1816	9,2	16,6	5	11,6	0
С-2	21	1779	11,4	20,3	6,4	13,9	0
R-1	56	1154	30,5	44	12,7	22,3	20

Согласно экспериментальным данным, (табл. 12), преобладающими в структуре модифицированного растворного камня являются условно замкнутые поры. Такие изменения в поровом пространстве связаны с продолжительностью про-цесса гидратации, обусловленного содержанием в составе вяжущего гидрав-лического компонента. А изменение микроструктуры за счет уменьшения размеров гидратированных соединений, увеличения их удельной поверхности, сокращения крупных пор в пользу мелких обеспечивает повышение физико-механических свойств и дол-говечности модифицированного штукатурного состава на основе гипсового вяжущего.

В целом полученные данные позволяют оценить критерий морозостойкости, который определяется как:

где: С - объемная концентрация растворного теста;

П₂ и П₃-соответственно объемы пор капиллярного подсоса и при вакуумирования в долях от объема раствора.

Таким образом, критерий морозостойкости у составов соответствует:

С-1 Мк= 2,29	С-2 Мк=1,91	R-1 Мк=0,96

Характеристики пористости камня из модифицированного раствора С-1, свидетельствуют, что образцы имеют меньшие объемы всех типов пор в сравнении с образцами прототипами. Такие характеристики пористости, полученные в ходе формирования структуры модифицированного раствора, способствуют не только улучшению свойств растворного камня, но также и подтверждают отличительные характеристики разработанного раствора.

В образцах из МГР 28 суточного возраста твердения в нормальных условиях при гидратации продуктов полугидрата сульфата кальция образуются щелевидные поры, которые по мере длительного твердения заполняются новообразованиями, в результате чего структура становится более слитной и менее пористой. Видны также скопления зерен кальцита, кварца и других субмикроскопических новообразований.

На микрофотографиях образцов из МГР возраста твердения 1 год (рис. 7 а) структуру камня можно охарактеризовать как достаточно выраженную мелкокристаллическую, при наличии в межкристаллических полостях как частиц новообразований, так и не связанных зерен кремнеземистого компонента. Структура достаточно слитная, с равномерным распределением пор, в отличие от прототипа (рис. 7 б) более однородная и плотная. Хорошо видно, что продукты гидратации и твердения МГР равномерно располагаются в порах и полостях каркаса, увеличивая число контактов, способствуя как более моноличенным связям наполнителя с вяжущим, так и более повышенной плотности и прочности камня.

Рис. 7 Электронные микрофотографии МГР и прототипа: а) микрокристаллы формирующее тело МГР возраста 1 год; б) структура прототипа 1 года хранения.

На основании полученных данных рекомендуются следующие составы МГР для оштукатуривания различных материалов (табл. 11). Таблица 11

Составы МГР

Марка/Назначение МГР	Соотношение МГВ : Песок
М35 / Гипсовый, ячеистый бетон	1:2
М75 / Кирпичные поверхности	1:1,5
М100 / Бетонные поверхности	1:1

По своим строительно-техническим характеристикам разработанный модифицированный гипсовый раствор соответствует требованиям, предъявляемым к этим видам строительных материалов.

Затвердевшие модифицированные гипсовые растворы МГР характеризуются высокими прочностными характеристиками (сжатие, адгезия) высокой стойкостью к попеременному замораживанию-оттаиванию, высокой водоудерживающей способностью, водостойкостью.

ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ ВЫПУСК СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

С целью проверки результатов экспериментальных исследований на промышленной установке производителя сухих строительных смесей ООО «СТРОЭВОЛЮЦИЯ» выпущена опытная партия сухой штукатурной смеси оптимального состава марки М75 объемом 300 кг и проведено опробование в натурных условиях при выполнении штукатурных работ. Результаты стандартных испытаний полученных растворов показали следующее: водоудерживающая способность - 97,5 %, фактическая прочность при сжатии - 9,2 МПа, морозостойкость - 102 циклов, прочность сцепления с кирпичным основанием - 0,78 МПа. На основании выполненных работ следует, что произведенные сухие строительные смеси обладают необходимыми для своих областей применения строительно-технологическими характеристиками.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность создания эффективных штукатурных растворов на основе гипсовых вяжущих путем модификации их органоминеральным модификатором, получаемым совместной механо-химической активацией специально подобранной смеси портландцемента, кремнеземистых и химических добавок, при твердении которых образуются стабильные, водонерастворимые, цементирующие гидратные новообразования, формирующие структуру, которая обеспечивает высокие показатели свойств в начальный и последующий периоды твердения вяжущего;

2. Получены модифицированные гипсовые растворы для наружной отделки со следующими характеристиками: водоудерживающая способность не менее 97%, прочность на сжатие до 15 МПа, на изгиб до 5,3 МПа, морозостойкость до 155 циклов, адгезия не менее 0,5 МПа.

3. Получены многофакторные математические зависимости водопотребности, плотности растворной смеси, средней плотности раствора, прочности и водостойкости разработанных смесей от состава раствора, расхода ОММ и крупности заполнителя.

4. Установлено, что оптимальное содержание органоминерального модификатора в вяжущем для раствора равно 27,7 %, соотношение вяжущее : песок равно от 1 к 1 до 1 к 1,5 в зависимости от требуемой марки раствора, оптимальный модуль крупности песка М_к=2,0.

5. Установлено, что на водопотребность в большей степени оказывает влияние содержание модификатора, а на среднюю плотность раствора и растворной смеси - содержание заполнителя. Доказано, что прочностные характеристики раствора зависят от расхода вяжущего, от компонентного состава модификатора, его количества в вяжущем и при этом увеличение крупности заполнителя положительно влияет на прочностные характеристики. Установлено, что водостойкость в основном зависит от количества ОММ и его состава.

6. Установлены зависимости прочностных и деформативных свойств, водостойкости, средней плотности, морозостойкости, объема и характера пор раствора от состава, расхода вяжущего, водовяжущего отношения, расхода заполнителя. Так прочность в основном зависит от количества модификатора в вяжущем и расхода заполнителя, а усадочные деформации, зависят от содержания органоминерального модификатора в растворе. Морозостойкость растворного камня зависит от расхода ОММ, его компонентного состава. Чем больший расход ОММ, тем выше морозостойкость.

7. Методами физико-химических исследований (РФА, ДСК, элект-ронной микроскопии, 3-х стадийного насыщения) выявлен характер новообразований, структура раствора, оказывающие влияние на прочность, плотность и долговечность затвердевшего раствора. Установлено, что при твердении модифицированного гипсового раствора образуются кристаллы двугидрата сульфата кальция, который создает основной каркас, а также ультрадисперсные гидросиликаты типа CSH(B), гидроалюминаты, карбонат кальция, портландит, которые обеспечивают водостойкость и морозостойкость раствора. Характер пор в основном зависит от компонентного состава органоминерального модификатора и его расхода.

8. Установлен механизм твердения штукатурного раствора, заключающийся в одновременном протекании процессов кристаллизации дигидрата сульфата кальция, образования эттрингита на ранних стадиях твердения, и по мере твердения заполнением новообразованиями, полученными в результате гидратации активированного портландцемента и реакций между продуктами его гидратации и нанодисперсными частицами кремнезема.

9. Установлено, что период структурообразования МГВ и растворов на его основе зависит от расхода вяжущего, количества модификатора и регулятора времени схватывания.

10. Установлено, что оптимальное содержание портландцемента должно находиться в пределах 15…17% массы вяжущего в МГР.

11. Предложена технология штукатурной сухой смеси на основе водостойкого гипсового вяжущего по двум вариантам: 1- с предварительным приготовлением модифицированного вяжущего и смешивания его с песком; 2- с использованием гипсового вяжущего, органоминерального модификатора и песка и их совместного перемешивания.

12. Модификация исходного гипсового вяжущего позволило изменить свойства ГВ до следующих характеристик: прочность при сжатии - от 14,5 до 21,2 МПа, коэффициент размягчения от 0,57 до 0,85.

13. Разработаны технические условия (ТУ5745-009-04000633-2010) и инструкция на применение смеси штукатурной модифицированной гипсовой для наружных работ.

14. Определены технико-экономические показатели производства МГР. Себестоимость 1 т сухого МГР в зависимости от марки и назначения, составляет для марок М35-100 от 2 150,88 до 2 679,85 руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Заикина А.С., Коровяков В.Ф. Расширение области применения гипсовых сухих смесей. Строительство -формирование среды жизнедеятельности: Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. Научные труды. - М.: МГСУ, 2007, - 582 с. 487-489 стр.

2. Заикина А.С., Коровяков В.Ф. Влияние качества исходных компонентов на свойства сухих строительных смесей Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Одиннадцатая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов. Научные труды. М.: - МГСУ, Изд-во АСВ, 2008, - 704 с. 517-519 стр.

3. Заикина А.С., Коровяков В.Ф. Влияние качества исходных компонентов на свойства сухих строительных смесей / Сухие строительные смеси. // Строительные материалы оборудование технологии XXI века (ISSN 1996-808), № 6. 2008. 58-59 стр.

4. Заикина А.С., Коровяков В.Ф. Модифицированные гипсовые штукатурные растворы для наружной отделки V Международная научно-практическая конференция «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий». Сборник научных трудов. Казань. Российская Гипсовая Ассоциация. 2010 - 290 с. 177-182 стр.

5. Заикина А.С., Коровяков В.Ф. Модифицированные гипсовые сухие смеси для наружной штукатурки. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. № 3. 2010. 1-5 стр.

Размещено на Allbest.ru