17 Июль 2016

 

Е.В. ПАРИКОВА, В.А. БЕЗБОРОДОВ, кандидаты техн. наук, Г И. БЕРДОВ, д-р техн. наук, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

 

Сухие строительные смеси имеют ряд преимуществ перед другими материалами аналогичного назначения, к которым относятся: высокий уровень качества и его стабильность; легкость переработки продуктов при высокой производительности труда; оптимальные затраты на транспортировку и использование; обеспечение высоких свойств на объектах [1—4].

 

Благоприятным сочетанием свойств обладают смеси на основе гипса: быстро твердеют, набирают требуемую прочность и теряют избыточную влагу, что позволяет производить дальнейшие отделочные работы без существенных перерывов. Гипсовые штукатурки в отличие от цементных способны как поглощать влагу, так и выделять ее, что способствует созданию комфортных условий в помещениях. Гипсовые штукатурные растворы пластичны, обладают высокой водоудерживающей способностью, сохраняют подвижность, необходимую во время их использования. Удельный расход гипсовой смеси в два раза меньше, чем цементно-песчаной. Использование сухих гипсовых смесей позволяет снизить трудоемкость и уменьшить сроки выполнения некоторых видов отделочных работ, например штукатурных, на 20—25%.

 

Для получения сухих гипсовых смесей необходимо использовать добавки, регулирующие пластические свойства, повышающие водоудерживающую способность и замедляющие сроки схватывания, что обеспечивает увеличение жизнеспособности гипсовых растворов. В данной работе исследованы сухие строительные смеси, основу которых составлял гипс марки Г-6.

 

В составе штукатурных и шпатлевочных смесей, как правило, присутствуют порошкообразные наполнители, которые позволяют уменьшить количество гипсового вяжущего.

 

При измельчении карбонатных наполнителей происходит их активация, нарушаются некоторые химические связи, и на поверхности частиц образуются группы свободных радикалов и ионов. Свежеобразованная поверхность частиц обладает повышенной реакционной способностью и заряжается преимущественно положительно.

 

Тонкодисперсный наполнитель заполняет полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция, что способствует увеличению прочности контактов между кристаллами, повышению плотности и, как следствие, повышению прочности и долговечности затвердевших отделочных составов. Степень наполнения и удельная поверхность карбонатных наполнителей оказывают влияние и на водопотребность смесей. При введении в состав 5—20% тонкомолотого известняка водопотребность смеси снижается на 10—15%.

 

В качестве карбонатного наполнителя в данной работе в состав гипсовых смесей вводилась известняковая мука, имеющая насыпную плотность 1220 кг/м3, истинную плотность 2940 кг/м3, удельную поверхность (по ПСХ-4) 178 м2/кг. По результатам лазерной гранулометрии среднеобъемный размер ее частиц составлял 15,4 мкм, количество частиц с размерами 4 мкм и менее составляло 15%, с размерами 6 мкм и менее — 21,1%. Удельная поверхность, определенная на лазерном гранулометре, равна 337 м2/кг. Химический состав известняковой муки (мас. %): 54,72 СаО; 0,47 MgO; 0,09 Fe2O3; 0,2 Al2O3; 0,48 SiO2; 0,1 SO3; потери при прокаливании — 44,02.

 

В качестве другой минеральной добавки использовалась гашеная известь. При введении гашеной извести в штукатурный состав улучшаются технологические свойства (удобонаносимость), возрастает адгезионная прочность, повышается водоудерживающая способность и пластичность смеси.

 

В работе использовалась известь строительная гидратная (АО «Искитимский известняковый карьер», Новосибирская обл.) с размерами зерен менее 50 мкм (удельная поверхность по ПСХ-4 500 м2/кг).

 

В системе гипсовое вяжущее + карбонатный наполнитель+гидратная известь при затворении водой гидроксид кальция взаимодействует с кальцитом, образуя основный карбонат кальция, выделяющийся в виде гелеобразной массы, обладающей повышенными адгезионными свойствами.

 

Для повышения водоудерживающей способности, увеличения прочности сцепления с основанием, регулирования сроков схватывания сухих гипсовых смесей в состав вводились органические добавки: метилцеллюлоза, лимонная кислота (ГОСТ 908—79) и полимеры Vinnapas RI 551 Z и Vinnapas RE 510 Z [3, 5].

 

Карбонатный наполнитель (известняковая мука) добавлялся в количестве 10—50%. Для определения предела прочности при изгибе и сжатии испытывали образцы-балочки размерами 40x40x160 мм (по ГОСТ 23798-79). Образцы испытаны в возрасте 7 сут.

 

Введение в состав известняковой муки в количестве 10-20% приводит к повышению прочности при сжатии на 2,5-15% и прочности при изгибе на 25-50% (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость прочности при изгибе и при сжатии от содержания карбонатного наполнителя (известняковой муки)

Рис. 2. Зависимость прочности при изгибе и при сжатии от содержания гидратной извести

 

При более высокой степени наполнения гипсовых составов известняковой мукой (30-50%) наблюдается падение прочности. Из результатов исследования следует, что оптимальное содержание тонкомолотого известняка в штукатурных смесях составляет 20%.

 

При содержании гипсового вяжущего 80% и известняковой муки 20% обеспечиваются хорошие прочностные характеристики, но наряду с этим проявляется высокая жесткость раствора и, как следствие, склонность к образованию трещин. В этом случае введение гашеной извести в штукатурный состав повышает подвижность смесей, прочность при сжатии, изгибе и адгезионную прочность.

 

Гидратная известь в составах выполняет роль пластифицирующей добавки и замедлителя схватывания гипсового вяжущего. Она придает тесту повышенную подвижность и снижает количество воды затворения.

 

За счет введения гашеной извести удлиняются сроки схватывания, снижается растворимость СаSO4•0,5Н2О, тем самым замедляется процесс кристаллизации дигидрата.

 

При введении в смесь 1—4% гид-ратной извести наблюдается рост прочности при изгибе и сжатии (рис. 2). Снижение прочностных показателей наступает при 5%-ном содержании этой добавки. Максимальные значения прочности при изгибе (5,1 МПа) и прочности при сжатии (15,7 МПа) достигаются при введении в гипсовую смесь 4% гашеной извести.

 

В состав сухой смеси, содержащей (мас. %) гипс строительный — 76; тонкомолотый известняк — 20; гашеную известь — 4, вводили разработанную комплексную добавку на основе отечественной метилцеллюлозы и метилцеллюлозы Walocel MKX 20000 PF 40 компании Wolf Cellulosics.

 

Комплексная добавка включала совместно измельченные материалы: отечественную метилцеллюлозу марки МЦ-100, силикат-глыбу (ГОСТ 13079—93) и хлористый кальций (ГОСТ 450—77*), взятые в соотношении (по массе) 1:1:1. Состав силикат-глыбы, мас. %: 66,7 SiO2; 3,79 Al2O3; 0,2 Fe2O3; 0,11 CaO; 0,06 MgO; 8,1 Na2O; 0,03 K2O.

 

Из полученных результатов следует, что наилучшие прочностные показатели достигаются при введении в смесь 0,3% метилцеллюлозы (рис. 3). Сравнивая комплексную добавку на основе отечественной метилцеллюлозы с Walocel MKX 20000 PF 40, можно отметить, что смеси с комплексной добавкой ненамного уступают по прочности при изгибе образцам с импортным аналогом (5,2 и 6,2 МПа соответственно при содержании 0,3%) (рис. 4) и имеют практически такую же прочность при сжатии с небольшим преимуществом комплексной добавки (15,8 и 15,1 МПа соответственно).

 

 sm_09_05-11

Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии от содержания метилцеллюлозы

Рис. 4. Зависимость прочности при изгибе от содержания метилцеллюлозы

 

Введение лимонной кислоты увеличивает жизнеспособность композиции, снижает водогипсовое отношение, повышает водостойкость и трещиностойкость покрытий. Для обеспечения требуемой жизнеспособности в смеси вводилась лимонная кислота в количестве 0,075—0,15% сверх 100% общей массы (табл. 1). Оптимальная ее добавка составляет 0,075-0,09 мас. %.

 

Таблица 1

Количество лимонной кислоты, %, сверх массы смеси

Начало схватывания, мин

Конец схватывания, мин

0,075

30

40

0,09

50

78

0,12

74

116

0,13

73

106

0,15

90

120

 

Введение полимера Vinnapas RI 551 Z обеспечивает существенное снижение водопоглощения. Преимуществом дисперсионных порошков Vinnapas с гидрофобным эффектом является увеличение адгезии штукатурок. Такие смеси обладают высокой эластичностью и низкой вязкостью.

 

Количество полимера Vinnapas RI 551 Z подбиралось для обеспечения наибольших прочностных характеристик и наименьшего водопоглощения. В гипсовую смесь вводили полимер Vinnapas RI 551 Z в количестве 0,3—1,5% сверх 100% массы смеси гипсового вяжущего, тонкомолотого известняка и гашеной извести. Во всех составах водотвердое отношение равнялось 0,5. Составы смесей и результаты физико-механических испытаний представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

№ состава

Содержание полимера Vinnapas RI 551 Z, %

Прочность, МПа

Водопоглощение мас. %

Коэффициент размягчения

при сжатии

при изгибе

1

0,3

4,32

1,87

36,8

0,6

2

0,5

4,4

1,53

36,3

0,71

3

0,75

4,8

1,63

36,2

0,81

4

1

5,44

1,86

36,6

0,95

5

1,5

4,8

1,67

38,5

0,91

 

По результатам испытаний определено оптимальное количество Vinnapas RI 551 Z 0,75—1%, при котором прочность при изгибе составила 1,6—1,9 МПа, прочность при сжатии 4,8—5,4 МПа, водопоглощение по массе 36,2—36,6 %, коэффициент размягчения 0,81—0,95.

 

В гипсовые смеси также вводили полимер Vinnapas RE 510 Z, который улучшает адгезию, прочность при сжатии и изгибе, стойкость к истиранию, пластичность и технологичность смесей. Он хорошо сочетается с другими добавками, так как не содержит вспомогательных пленкообразователей, растворителей и пластификаторов.

 

Оптимальное количество полимера Vinnapas RE 510 Z определялось исходя из наибольших прочностных характеристик при сжатии, при изгибе, при отрыве от основания, что составляло 0,2—0,5% сверх 100% от массы смеси гипсового вяжущего, тонкомолотого известняка и гашеной извести. Составы смесей и результаты испытаний представлены в табл. 3.

 

Таблица 3

№ состава

Содержание полимера Vinnapas RE 510 Z, %

Предел прочности, МПа

Прочность при отрыве, МПа

при сжатии

при изгибе

1

0,2

7,88

3,86

1,4

2

0,3

9,76

4,5

1,03

3

0,4

9,74

4,87

1,25

4

0,5

10,72

4,51

0,85

 

Результаты испытаний показали, что оптимальное количество Vinnapas RE 510 Z составляет 0,3—0,5%, при этом прочность при изгибе 4,5—4,9 МПа, прочность при сжатии 9,7—10,7 МПа, прочность при отрыве 0,85—1,25 МПа.

 

Для оптимизации составов сухих смесей использован метод многофакторного планирования эксперимента, с помощью которого можно определить зависимость выхода процесса (в данном случае прочностных характеристик и водоудерживающей способности) от известных и изучаемых переменных факторов. Для каждого фактора выбирали условный нулевой уровень 0х и интервал варьирования Xi, которые заданы исходя из результатов предыдущих опытов. Матрица планирования представлена в табл. 4. Результаты восьми опытов с тремя повторениями в каждом варианте приведены в табл. 5.


Таблица 4

Фактор

Oxi

λi

+1

-1

Известняковая мука (Х,), мас. %

20

10

30

10

Известь-пушонка (Х2), мас. %

4

1

5

3

Комплексная добавка на основе отечественной метилцеллюлозы (Х3), мас. %

0,3

0,1

0,4

0,2

 

Таблица 5

№ состава

Прочность, МПа

Водоудерживающая
способность,
%

при сжатии

при изгибе

1

12,04

4,81

97,95

2

9,6

4,44

97,87

3

10,87

4,88

98,15

4

11,09

4,47

98,26

5

12,57

5,56

98,57

6

8,5

4,5

98,61

7

9,33

5,64

98,98

8

9,82

4,51

98,92

9

10,8

4,9

98,48

Примечание. 9-й состав — на нулевом уровне.

 

Исследуя полученные результаты по трем откликам, можно сделать вывод, что наилучшим эксплуатационным показателям соответствует состав (мас. %): гипс — 76, известняковая мука — 20, гашеная известь — 4, количество вводимой комплексной добавки на основе отечественной метилцеллюлозы — 0,3. С помощью математического планирования эксперимента оптимизирован шпатлевочный состав, позволяющий получать покрытия достаточно плотные и твердые, имеющие повышенные адгезионные связи.

 

Список литературы

  1. Савилова Г.Н. Штукатурные смеси общего и специального назначения. //Строит. материалы. 1999. № 11. С. 22-23.
  2. Казарновский З.И., Савилова Г.Н. Сухие смеси — новые возможности в строительстве // Строит. материалы. 1999. № 2. С. 20-21.
  3. Урецкая Е.А., Жукова З.И., Филипчик З.Ии др. Модифицированные сухие смеси «Полимикс» в современном строительстве // Строит. материалы. 2000. № 5. С. 36-38.
  4. Безбородов В.А., Белан В.И., Мешков П.И. и др. Сухие смеси в современном строительстве. Новосибирск: НГАСУ. 1998. 94 с.

Статья взята из журнала «Строительные материалы»