Важливою задачею отримання ефективних будівельних матеріалів є зниження їх енергоємності. У зв'язку з постійним підвищенням цін на енергоносії використання портландцементу в якості основного в'яжучого для виготовлення бетонних виробів призводить до суттєвого зростання їх вартості. У звязку з цим актуальним є розробка впровадження технологій будівельних виробів з використанням низькоенергоємних матеріалів, у тому числі гіпсобетонів.

Негативні властивості гіпсових бетонів значною мірою пов'язані з високою водопотребою будівельного гіпсу, яка становить 50 - 70 % замість теоретично необхідних 18-19 %. Одним з можливих способів зниження водовмісту бетонних виробів є застосування силових методів ущільнення та перехід до сумішей підвищеної жорсткості. Використання сумішей з низьким водовмістом може забезпечити отримання гіпсової матриці більшої щільності при умові використання ефективного ущільнення. При цьому зменшуються терміни набуття виробами заводської готовності, затрати на сушіння виробів.

Відома [1] можливість виготовлення гіпсових бетонів шляхом пресування жорстких сумішей з В/Г 0,15…0, 20. Поряд зі звичайним введенням води у суміш з отриманням гранул гіпсової суміші і їх пресуванням застосовувалось також введення водонасичених легких заповнювачів, мікрокапсул води. Досягнення пониженого водовмісту можливо також за рахунок пресування пластичних сумішей з видаленням частини рідини під тиском [2].

Одним із видів формування, що останнім часом все ширше застосовується при виготовленні бетонних виробів є вібропресування. Даний спосіб поєднує досить інтенсивну механічну дію на бетонну суміш при помірних енерговитратах та високу продуктивність. При вібропресуванні створюється можливість достатнього ущільнення наджорстких сумішей з мінімальним водовмістом. Умови, в яких ефективне застосування вібропресування для цементних бетонів можуть бути придатними і для сумішей на основі гіпсу, однак при врахуванні їх особливостей.

Метою проведених досліджень було визначити оптимальні параметри отримання вібропресованих гіпсобетонів. Експерименти проводились за наступною схемою: на першому етапі вивчався вплив витрати води на властивості сумішей і бетонів; на другому - досліджувалась життєздатність гіпсобетонної суміші та вплив добавок; на третьому - визначались оптимальні параметри вібропресування гіпсобетону.

Технологічними вимогами при вібропресуванні гіпсобетонних сумішей можна вважати необхідність забезпечення оптимального водовмісту, що визначає найкращі умови формування та максимальну щільність; інтенсивне перемішування, що сприяє швидкому рівномірному розподіленню рідини; суттєву живучість сумішей, що забезпечує можливість тривалого (до 30 хв.) зберігання суміші у витратних бункерах формувальної установки.

Для наджорстких бетонних сумішей на основі портландцементу, що використовуються при вібропресуванні, характерна наявність оптимальної витрати води, котра забезпечує визначає достатню формувальну міцність та максимальну міцність після твердіння [3]. Оптимальну витрату води визначають інтенсивність ущільнення та характеристики матеріалів, що використовуються.

Для визначення впливу витрати води та заповнювача на основні властивості вібропресованого гіпсобетону був проведений двофакторний експеримент за планом В₂ [4]. В якості факторів були прийняті: Х₁ - водогіпсове відношення (В/Г = 0,15…0,35); Х₂ - масова частка заповнювача (З) в суміші заповнювача з гіпсом (З+Г) (З=З/ (З+Г) = 0…0,6).

В експериментах використовувались наступні матеріали: будівельний гіпс марки Г-5 (ВАТ "Іванофранківськ-цемент"), кварцовий пісок Кузнецовського родовища Рівненської області (М_кр =1,18). Зразки-циліндри d=h=50 мм формувались способом вібропресування на лабораторному вібромайданчику у спеціальній прес-формі з використанням необхідних привантажень. Були вибрані параметри ущільнення характерні для більшості промислових вібропресів: частота - 50 Гц, амплітуда - 0,5 мм, тиск - 0,06 МПа, тривалість ущільнення - 15 с.

В результаті проведення експериментів і їх статистичної обробки були отримані математичні моделі міцності гіпсобетонів при стиску в висушеному стані (R_ст, МПа) та середньої густини (₀, кг/м³):

₀=1752+28Х₁+136Х₂-157Х₁²-35Х₂²+28Х₁Х_{2 (}1)

R_ст=17,0+2,21Х₁-3,84Х₂-7,37Х₁²-1,04Х₂²+0,7Х₁Х_{2 (}2)

Як видно з отриманих даних, міцність вібропресованих гіпсобетонів коливається досить широко (від 1,5 до 20 МПа), що пояснюється різними причинами. Фактор Х₁ (В/Г) спричиняє позитивний практично лінійний при варіюванні В/Г 0,25 вплив на міцність, фактор Х₂ - різко негативний також лінійний ефект. Звертає на себе суттєвий квадратичний ефект фактора Х₁: вплив водогіпсового відношення на міцність вібропресованого гіпсобетону при певному співвідношенні в'яжучого з заповнювачем має екстремальний характер (рис.1). Екстремум вказує оптимальний водовміст суміші, що в даних умовах забезпечує необхідне ущільнення, достатню кількість води для гідратації та мінімальну пористість. При В/Г нижчих за оптимум гіпсобетонна суміш занадто жорстка і не може бути якісно ущільнена при даних параметрах вібропресування, поряд з цим мала кількість води спричиняє швидкий перехід в дигідрат частини гіпсу, при цьому ймовірно, що в деякій частині гіпс взагалі не гідратується чи гідратується частково. Підвищення кількості води до оптимуму сприяє більш рівномірному перемішуванню і зволоженню маси, зниженню в'язкості до необхідної, а також подовженню терміну тужавлення, що дозволяє здійснити процес формування до закінчення індукційного періоду. Подальше підвищення кількості води в суміші спричиняє зростання пористості гіпсової матриці та виникнення технологічного браку (прилипання виробів до пуансона та стінок прес-форми, деформування).

Рис.1. Вплив водогіпсового відношення на міцність (R_ст) та середню густину (₀) вібропресованих гіпсобетонів. 1 - З (частка заповнювача) =0; 2 - З=0,3; 3 - З=0,6

Дані по міцності вібропресованого гіпсобетону та впливу на неї В/Г підтверджуються також при аналізі моделі середньої густини. При низькому водовмісті густина порівняно низька (зразки недоущільнені), підвищення В/Г спричиняє зростанню _{0 (}рис.1).

При введенні до складу вібропресованого гіпсобетону поряд зі зниженням міцності, покращується здатність суміші до перемішування, ущільнення, підвищується формувальність, знижується частка браку при розформуванні та усадочні деформації. Введення заповнювача сприяє більш рівномірній і повній гідратації в'яжучого, що особливо важливо для жорстких гіпсових сумішей.

Хоча взаємодія досліджуваних факторів незначна, як слідує з рівнянь (1,2) слід відмітити деяку зміну оптимального В/Г з введенням заповнювача, що пояснюється зміною формувальних властивостей наджорстких гіпсобетонних сумішей.

Отримана модель міцності вібропресованого гіпсобетону може бути використана при вирішенні задач знаходження оптимального водовмісту сумішей та визначення складу. Для їх практичного використання слід доповнити модель факторами, що визначають параметри ущільнення та розширити діапазон характеристик заповнювача.

Таким чином, для вібропресованого гіпсобетону встановлено наявність області оптимального водовмісту (оптимальне В/Г), котре являє собою мінімальну кількість води, достатню для отримання суміші з певними реологічними характеристиками, забезпечення максимальної щільності бетону та повної гідратації в'яжучого. Отримані дані підтверджуються аналогічними результатами, одержаними авторами на цементних вібропресованих бетонах [3].

При виготовленні гіпсобетонних виробів способом вібропресування важливим фактором, котрий визначає технологічну можливість використання стандартного обладнання, розробленого для цементних бетонів є "живучість" суміші, тобто здатність їх зберігати необхідну формувальність. В даному випадку під "живучістю" слід розуміти час, протягом якого наджорстка гіпсобетонна суміш може знаходитись у витратному бункері вібропреса без зміни властивостей. Вібропресуюче обладнання зазвичай розраховане на можливість зберігання суміші в бункері протягом 30…40 хв., що співпадає з часом початку тужавлення наджорсткої бетонної суміші на портландцементі. Для гіпсу, як відомо, характерні значно коротші строки тужавлення, причому низька вологість і сипучість суміші наджорсткої консистенції значно пришвидшує процес тужавлення і зневоднення. З іншого боку в деяких роботах [5] відмічено можливість твердіння в умовах пресування дигідрату сульфату кальцію, утворення якого може відбуватись при зберіганні суміші у витратних бункерах. Досить дієвим способом регулювання строків тужавлення гіпсового в'яжучого є використання добавок-сповільнювачів.

"Живучість" наджорстких гіпсобетонних сумішей та вплив добавок на можливий термін витримки суміші до формування вивчався шляхом визначення міцності при стиску зразків, що ущільнювались через певний час після замішування. Зразки-циліндри випробовувались на стиск у віці 1 доба (R_cт1, МПа), параметри формування були такі як і у першій серії дослідів. В якості добавок були використані наступні: лимонна кислота (Л. к.), лігносульфонати технічні (ЛСТ) та суперпластифікатор СП-1 ("Поліпласт"). Кількість добавок приймалась у відсотках від маси в'яжучого.

Результати визначення міцності та середньої густини гіпсобетону (₀, кг/м³) наведені на рис.2.

Базуючись на отриманих даних, можна стверджувати, що витримка наджорстких гіпсобетонних сумішей до ущільнення вібропресуванням спричиняє стрімке зниження міцності (при відсутності добавок зі сповільнюючим ефектом (лінія 1 та 2). Таким чином, при витримці суміші практично одразу відбувається швидка гідратація та зневоднення маси, причому динаміку зменшення кількості напівгідрату ймовірно характеризує лінія зміни міцності (рис.2а). Як результат, погіршується формувальність суміші, що помітно по зниженню середньої густини бетону (рис.2б). Можливе твердіння дигідратного в'яжучого в даному випадку не спостерігається. За відомими даними [5], для можливості такої взаємодії слід забезпечити досить "стиснені" умови, однак при вібропресуванні тиск не досить високий і процес ущільнення базується в основному на тиксотропному розрідженні суміші в умовах інтенсивної вібрації. В той же час перехід напівгідрату сульфату кальцію в дигідрат призводить до зневоднення суміші і підвищення її жорсткості, що в свою чергу вимагає підвищення інтенсивності ущільнення.

Введення в суміш добавки, що має ефект сповільнення (ЛСТ) викликає деяке гальмування процесу падіння міцності гіпсобетону і відповідно його густини. Значно більший ефект спостерігається від використання лимонної кислоти. Кількість даної добавки в межах від 0,05 до 0,1% від маси гіпсу веде до зміщення початку падіння міцності на 40…50 хв., що приблизно відповідає подовженню за рахунок лимонної кислоти початку тужавлення, визначеного за стандартною методикою. Початкове зростання міцності в присутності добавки може бути пояснене зміщенням початку індукційного періоду (аналогічного цементному) під час якого ущільнення (за Й.М. Ахвердовим [6]) є найбільш дієвим. Поряд з цим введення лимонної кислоти більше 0,05% викликає деяке зниження міцності.

Таким чином, для вібропресування наджорстких гіпсових сумішей необхідно забезпечити подовження строків тужавлення в'яжучого до 30…40 хв. з метою попередження гідратації і зневоднення суміші у витратному бункері. В даному випадку ефективне використання сповільнюючих добавок (наприклад, лимонної кислоти). Зниження необхідної витрати сповільнювачів можна забезпечити також застосуванням змішувачів безперервної дії.

Рис.2. Вплив добавок на "живучість" наджорсткої гіпсобетонної суміші.

1 - ЛСТ - 0,3%; 2 - СП-1 - 0,6%; 3 - без добавок; 4 - Лимонна кислота - 0,05%; 5 - Лимонна кислота - 0,1%

Оптимізація параметрів виготовлення вібропресованих гіпсобетонів полягає у визначенні інтенсивності силового ущільнення, що забезпечує отримання виробів максимальної щільності і міцності при певному складі бетону.

Для визначення оптимальних параметрів було проведено експеримент за планом В₃. Умови планування експерименту наведені в таблиці. При проведенні експерименту для забезпечення необхідної "живучості" гіпсобетонної суміші був використаний сповільнювач (лимонна кислота) в кількості 0,05% від маси гіпсу. Амплітуда і частота вібрування наведені вище. Вихідними параметрами прийняті наступні характеристики: середня густина бетону (₀, г/см³) та міцність при стиску у віці 1 доба (R_cт^д, МПа).

Таблиця. Умови планування експерименту

В результаті статистичної обробки результатів отримали рівняння регресії вихідних параметрів:

₀=2035+142Х₁+46Х₂+55Х₃-40Х₁²+28Х₂²-47Х₃²+14Х₁Х₂+19Х₁Х₃+

+26Х₂Х₃ (3)

R_cт^д=5,76-2,54Х₁+1,13Х₂+1,21Х₃+2,44Х₁²-2,32Х₂²-1,5Х₃²-0,318Х₁Х₂-

0,56Х₁Х₃+0,28Х₂Х₃ (4)

Значення середньої густини вібропресованого гіпсобетону знаходяться в межах 1800…2200 кг/м³. Найбільше зростання ₀ викликає збільшення частки заповнювача: суміші з меншою кількістю в'яжучого в більшій мірі піддаються ущільненню внаслідок вібраційних коливань крупних частинок і їх компактного розташування. В той же час відмічене зростання щільності не супроводжується підвищенням міцності, причому спостерігається значне зниження формувальної міцності.

вібропресований гіпсокартон суміш

При постійній кількості в'яжучого підвищення інтенсивності вібраційних впливів (фактори Х₂ та Х₃) здебільшого спричиняє одночасне зростання щільності і міцності (рис.3). Параметрами вібропресування гіпсобетонних виробів, що забезпечують максимальну міцність можна вважати тривалість 15.20 с, динамічне навантаження 0,02.0,03МПа. Судячи з отриманої моделі взаємодія факторів, що характеризують інтенсивність ущільнення і склад бетонів несуттєва. Підвищення частки заповнювача в гіпсобетоні більше 0,55…0,6 недоцільне, так як різко знижується міцність матеріалу та погіршуються умови формування. Таким чином, оптимальним вмістом заповнювача у вібропресованому гіпсобетоні на кварцовому піску можна вважати кількість від 50…60% маси сухих компонентів.

При оптимальних параметрах ущільнення та кількості заповнювача міцність отриманого матеріалу становить 9…11 МПа на 1 добу твердіння у повітряно-сухих умовах.

Рис.3. Вплив параметрів вібропресування на міцність гіпсобетону (частка заповнювача З/ (З+Г) =0,5)

1 - t=5 c; 2 - t=15 c; 3 - t=25 c.

Висновок