Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы и опыт применения многокомпонентных гипсовых вяжущих цель и задачи исследования 9
Глава 2. Исходные материалы и методы исследования 35
2.1. Характеристика и выбор исходных материалов 35
2.1.1. Гипсовое вяжущее 35
2.1.2. Портландцемент белый 36
2.1.3. Добавки 38
2.1.4. Заполнитель и наполнитель 40
2.2. Методы исследования 4 І
2.2.1. Метод определения соотношения между белым портландцементом и активной минеральной добавкой в составе МГВ 41
2.2.2. Методы исследования свойств вяжущего и раствора, структуры затвердевщего материала 43
Глава 3. Разработка и оптиматизация составов многокомпонентного гипсового вяжущего 49
3.1. Определение соотношения между компонентами вяжущего 49
3.2. Исследование основных зависимостей свойств вяжущего от видового и количественного состава, оптимизация составов МГВ 58
3.3. Влияние химических добавок - замедлителей 77
Выводы 82
Глава 4. Исследование процесса структуробразования многокомпо нентного гипсового вяжущего 84
4.1. Фазовый состав и микроструктура &5
4.2. Влияние пористости на свойства композиционного камня 97
Выводы 103
Глава 5. Составы и технология отделочных смесей на МГВ 105
5.1. Определение состава отделочных смесей 105
5.2. Оценка стойкости и долговечности отделочных смесей 109
5.3. Разработка технологии изготовления отделочных смесей .114
5.4. Технико-экономической оценка перспективности применения отделочных смесей 121
5.4.1. Особенности развития строительства в Африке 121
5.4.2. Технико-экономическая оценка отделочных смесей на МГВ 125 Выводы 130
рбщие выводы 132
Библиографи чески й список
- Метод определения соотношения между белым портландцементом и активной минеральной добавкой в составе МГВ
- Методы исследования свойств вяжущего и раствора, структуры затвердевщего материала
- Определение соотношения между компонентами вяжущего
- Определение состава отделочных смесей
Введение к работе
Актуальность. Для современных тенденций строительства характерны требования к качеству и комфортности жилья, архитектурной выразительности интерьеров и фасадов зданий, экологической чистоте применяемых строительных материалов.
Для отделки и реставрации зданий различного назначения применяются разнообразные декоративные материалы высокого качества, как природные, так и искусственно изготовленные на основе гипсовых вяжущих. Однако отделочные смеси на основе гипсовых вяжущих неводостойки и применяются только для внугренней отделки помещений с относительной влажностью воздуха до 70%, что является существенным ограничением, особенно, в условиях влажного жаркого климата, где расположена Руанда.
Решение вопроса повышения эффективности отделочных смесей на основе гипсового вяжущего связано с созданием многокомпонентных активированных строительных композиций с требуемыми технологическими и эксплуатационными свойствами.
* Работа выполнена в соответствии с комплексной программой "Строй-прогрессе - 2000"
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка эффективных отделочных смесей на основе многокомпонентного гипсового вяжущего, включающего белый портландцемент, минеральные и органические добавки - модификаторы свойств.
Для достижения цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- обосновать возможность получения многокомпонентного гипсового вяжу
щего с повышенными эксплуатационными свойствами.
- установить соотношения между белым портландцементом и активными
минеральным добавками в составе многокомпонентного гипсового вяжущего
в зависимости от химического состава и дисперсности добавок белых или светлых тонов, в том числе техногенного происхождения;
разработать вещественный и количественный составы многокомпонентного гипсового вяжущего с заданной прочностью и водостойкостью;
исследовать влияние органоминеральных добавок на основные физико-механические свойства многокомпонентного гипсового вяжущего и структуру получаемого камня;
получить количественные зависимости основных физико-механических свойств многокомпонентного гипсового вяжущего от его состава и вида модифицирующих добавок;
разработать составы отделочных смесей на многокомпонентном гипсовом вяжущем с использованием мелких заполнителей и наполнителей;
разработать технологию отделочных смесей;
определить технико-экономические показатели применения отделочных смесей и рекомендовать рациональные области их применения.
Научная новизна. Разработаны теоретические положения направленного
применения комплекса высокодисперсных добавок и эффективных химичес-
ких модификаторов для создания оптимальной структуры искусственного
камня, уменьшения его пористости, повышения плотности, прочности и
трещиностойкости.
Установлены зависимости для сочетания гипсового вяжущего и белого портландцемента с помощью активных минеральных добавок светлых тонов с учетом их химического состава и дисперсности.
Обоснованы состав и применение впервые предложенной комплексной добавки, состоящей из промышленного отхода крем негеля и жидкого стекла, и установлены синергизм ее действия, влияние на формирование структуры и свойства МГВ.
Получены многофакторные математические зависимости консистенции, прочности при твердении в различные сроки и коэффициента размягчения от
содержания модифицирующих добавок, позволяющие оптимизировать состав многокомпонентного вяжущего применительно к его назначению.
Установлено влияние технологических факторов (состава вяжущего, водо-вяжущего отношения, условий твердения) на прочность, плотность и коэффициент размягчения МТБ.
С помощью методов физико-химических исследований (РФА, ДТА, электронной микроскопии и ртутной порометрии) выявлены влияние состава новообразований, характера структуры и пористости МГВ на прочность, плотность и долговечность затвердевшего вяжущего.
Установлены зависимости подвижности, прочности и коэффициента размягчения многокомпонентных смесей на МГВ от их состава и водовяжущего отношения.
Практическая значимость. Разработаны отделочные смеси на основе много-компонентного гипсового вяжущего, включающего белый портландцемент, активные минеральные и модифицирующие добавки, с прочностью от 15 до 25 МПа и содержанием белого портландцемента от 10 до 20 %.
Предложены рациональные составы МГВ, предназначенные для универсального применения при производстве внутренних и наружных работ.
Разработана технология изготовления отделочных смесей на МГВ.
Предложены виды, дозировка и способы применения порошкообразных и жидких добавок для регулирования открытого времени при работе с отделочными смесями на МГВ.
Показана возможность применения предлагаемого отделочного материала в условиях Руанды с учетом сырьевой базы, источников импорта, форм организации строительства, возможности импортазамещения и климати-ческих условий.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы на разных этапах ее выполнения были доложены и обсуждены на второй, третей и четвертой научно - практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среди жизнедеягельсти" в МГСУ, в 1999, 2000 и 2001г.
По теме диссертации опубликованы две работы. Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы в "Рекомендациях по изготовлению и применению отделочных смесей на многокомпонентном гипсовом вяжущем". Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 143 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 23 таблиц. На защиту диссертации выносятся:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения МПВ белого цвета и отделочных смесей на его основе;
зависимости допускаемых соотношений между белым портландцементом и активными добавками в составах МГВ от химического состава и дисперсности добавок;
- многофакторные зависимости основных физико-механических свойств
МГВ от его состава и сроков твердения;
- параметры структуры исскуственного камня в зависимости от условий и
продолжительности твердения;
- составы и технология отделочных смесей на МГВ, предназначенных для наружных и внутренних работ.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, кандидату технических наук Л. Д. Чумакову, а также коллективу кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов МГСУ и лаборатории за оказанную помощью в проведении экспериментов и подготовке диссертации.
^
Метод определения соотношения между белым портландцементом и активной минеральной добавкой в составе МГВ
Необходимое количество активной минеральной добавки в составе вяжущего подбирается по концентрации оксида кальция, содержащейся в специальных препаратах, представляющих собой водные суспензии полуводного гипса, портландцемента и активной минеральной добавки, по методике - ТУ 21-31 -62-89.
Для проведения испытаний приготовляется шесть препаратов; две партии близнецов по три препарата в каждой партии, отличающихся различным содержанием активной минеральной добавки. Первую партию препаратов предназначают для испытаний через 5 суток, а вторую - через 7 суток после изготовления.
Для приготовления препаратов навеску исходных материалов высушивают, цемент - при температуре 105С в течение 2 часов, гипсовое вяжущее - при температуре 45-50С в течение 3 часов, гидравлическую добавку - при температуре 105С до постоянной массы. Высушенные пробы хранят в эксикаторе.
Препараты готовят следующим образом: навески гипсового вяжущего, портландцемента и активной добавки взвешивают с погрешностью не более 0,001 . Для приготовления каждого из препаратов берут по 4г гипсового вяжущего и по 2,5г портландцемента. Количество активной минеральной добавки является переменной величиной.
Навески материалов для каждого из препаратов помещали в конические колбы вместимостью 200мл и заливали J 00 мл дистиллированной воды комнатной температуры. В случае применения жидкого стекла, его сначала смешивали с водой , потом добавляли сухие компоненты. Колбы герметически закрывали и в течение 3 часов непрерывно взбалтывали на лабораторном колбовстряхивателе для предотвращения схватывания осадка. В дальнейшем взбалтывание производили вручную не менее 2-х раз в сутки. Колбы выдерживали в течение 5 и 7 суток при температуре 20 2С.
Для определения концентрации оксида кальция через 5 и 7 суток из каждой колбы фильтрованием отбирали по 50 мл раствора, который титровали в присутствии фенолфталеина 0,1 N раствором соляной кислоты.
Концентрация оксида кальция в г/л определяется по формуле: СаО = 2,804. А. К/В , где: А - количество соляной кислоты, израсходованной на титрование, мл; В - количество отобранного из колбы раствора, мл;
К - коэффицент, здесь К—1. Полученные результаты испытаний представляют в виде двух графиков: первый для препаратов 5-суточного возраста и второй для препаратов 7 суточного возраста. Необходимое количество активной минеральной добавки подбирают по указанным графикам при условии, чтобы кондентрадия оксида кальция на пятые сутки не превышала 1,1 г/л, а на седьмые сутки была менее 0,85 г/л. Опущенные из дашых точек на графиках 1 и 2 перпендикуляры на ось абсцисс образуют в пересечениях с ней две точки, показывающие искомое количество активной минеральной добавки. Из полученных двух величин выбирают наибольшую.
Методы исследования свойств вяжущего и раствора, структуры затвердевщего материала
Многокомпонентное вяжущее готовили в лабораторной шаровой мельнице с фарфоровыми шарами и барабаном непродолжительным перемешиванием (4...6 мин), обеспечивая таким образом гомогенизацию состава.
Тонкость помола, нормальная іустоту, предел прочность при изгибе и сжатии определяли в соответствии с ГОСТ 23789-79 и ТУ 21-0284757-1-90. Технические условия предусматривают следующие изменения: ь- за стандартную консистенцию принимают нормальную густоту, характеризующуюся диаметром расплыва пасты вяжущего 120 5 мм; - прочность в сухом состоянии через 28суток определяют на образцах, твердевших в камере над водой при температуре 20 и высушенных после этого до ПОСТОЯННОЙ массы при температуре 45...55С. Коэффициент размягчения, наличие высолов, выцветов и налетов определяли методами, предусмотренными ТУ 21 0284757-1-90.
Исследование химического и фазового состава исходных компонентов проводили используя метод сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Этот метод, обладая наиболее высокой чувствительностью, позволяет выполнять количественное определение химического состава любого элемента на площадке размером менее Змкм. Анализ выполняли на приборе " Camebax " с рентгеновской приставкой "Link".
При изучении составов вяжущих и растворов, влияния компонентов на их свойства применяли методы математического планирования эксперимента и вероятностно- статической обработки результатов.
Продукты твердения многокомпонентного вяжущего идентифицировали по результатам рентгенофазового и дифференциально-термического анализа.
Рентгеногнографические исследования выполняли на дифрактометре вертикального типа JDX-ШРА, фирмы JEOL; а дифференциально-термический анализ (DTA) на фоторегистрирующем дериватографе фирмы MOM.
Структурные характеристики материала пористость и плотность определяли методом ртутной порометрии наприборе AUTOPOPEII9220 V3.01, а структуру исследовали на сканирующем электронном микроскопе САМЕ-ВАХ с различной сгепенью увеличения. Более подробно методики изложены при описании соответствующих исследований.
Формирование стойкой и долговечной структуры искусственного камня в процессе твердения многокомпонентного гипсового вяжущего (МГВ) достигается правильно установленным соотношением между его компонентами. При этом общепризнанна роль концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе для обеспечения возможности совмещения гипсового вяжущего и портландцемента с помощью добавок.
Вещественный и количественный состав МГВ устанавливали поэтапным проведением исследования. Сначала определяется соотношение между белым портландцементом и активными минеральными добавками в зависимости от их вида, как основа для вариантов состава, а затем — основные показатели свойств вариантов видового и количественного составов, влияние на них модифицирующих добавок и технологических факторов.
Основная задача добавок, применяемых в МГВ, - улучшение его физико - механических свойств при обеспечении условия долговечности. В месте с этим добавки не должны отрицательно влиять на исходный белый цвет смеси гипсового вяжущего и портландцемента.
Опробован ряд добавок светлых тонов: светлый микрокремнезем (аэросил), перлит, сйлкагель, кремнегель, жидкое натриевое стекло. Микрокремнезем (аэросил) наиболее эффективно снижает концентрацию гидроксида кальция до безопасных пределов. Количество микрокремнезема составляет 11% от массы белого портландцемента (рис.3.1).
Наименее эффективно добавление измельченного вспученного перлита. Его количество, даже в 1,5 раза превышающее массу цемента не снижает концентрации СаО до требуемых пределов (рис.3.2). Однако низкую пуццоланическую активность вспученного перлита следует учитывать при его возможном использовании в качестве заполнителя, вводимого в значительно больщих каличествах по сравнению с добавкой в составе вяжущего.
Весьма эффективна добавка измельченных гранул силкагеля типа КСМГ с содержанием активного диоксида кремня (около 90%) соотношение между добавкой и цементом 1:3 по массе (рис.3.3).
Учитывая, что аэросил и силикагель специфичны и дороги, внимание в исследованиях было сосредоточено на использовании доступной техногенной добавки - кремнегеля - отхода производства фрористоводородной кислоты. Оптимальному количеству в составе вяжущего соответствует отношение Д/ЦЮ,6-0,65(рис.3.4).
Обоснование выбора в качестве добавки жидкого натриевого стекла изложено в главе 1. Здесь следует отметить, что товарный продукт - жидкое стекло более технологично и доступно, по сравнению с силикат - глыбой, требующей измельчения в тонкодисперсный порошок, но отличается плотностью и величиной кремнеземистого модуля, что и было учтено в исследовании.
Определение соотношения между компонентами вяжущего
В ходе исследования изучали наиболее значимые факторы, влияющие на основные свойства МГВ: величина водовяжущего отношения, консистенция пасты вяжущего, прочность на сжатие, водостойкость, характеризуемая коэффициентом размягчения.
Прочностные показатели образцов определяли через 2 часа и 28сут. в нормальных условиях.
Влияние водовяжущего отношения, количества гидравлического компонента и добавки суперпластификатора на свойства МГВ установлено с применением методов математического планирования эксперимента. Задачей оптимизации являлось определение составов, обеспечивающих наибольшую прочность при определенных ограничевающих условиях: водовяжуїцее отношение в интервале 0,4...0,6, подвижность не менее 120мм, водостойкость, характеризуемая величиной коэффициента размягчения Кр 0,7, расход белого портландцемента не более 20% массы вяжущего.
Уровень и интервал варьирования независимых переменных представлен в табл. 3.6 а план проведения эксперимента в табл. 3.7 В качестве переменных факторов приняты: - процентное содержание гидравлических компонентов: цемент + комплекс ная добавка ( кремнегель+ жидкое стекло) Xi - в кодовом выражении или ГК в натуральной величине; - водовяжущее отношение Х2 - в кодовом выражении или В/В- в натуральной величине; - расход суперпластификатора Хз - в кодовом выражении или С-З/В в натуральной величине.
За параметры оптимизации вяжущего приняты: К - консистенция (расллыв) пасты вяжущего; - R24 - прочность на сжатие через 2 часа; - R a - прочность на сжатие после 28 сут. твердения в нормальных усло-виях; - Кр -коэффициентразмягчения
В планировании эксперимента функции могут быть представлены в виде степенного ряда (алгебраическим полиномом): Y = Ьо +blXrbb2X2+b3X3+biiXf2+b22X22+b33X32-f-b]2XtX24bi3X]X3+b23X2X.% (3.1) Y - предсказанное уравнение, Xj - независимые переменные, bo,b, Ь2,Ь3, Ьп, D22, Ьзь bi2, bt3, ЬЭз - коэффициенты регрессии. Для получения уравнения в натуральных величинах: Х ГК ПВД/ДГК; Х?= (В/В - (В/В)о)/А В/В; Х3= (С-З/В - (С-ЗЛВД/Д С-З/В.
Обработка результатов, выполненных согласно матрице планирования эксперимента, осуществлена по стандаргной программе ЭВМ "KW7".
Уравнения регрессии в натуральных величинах приведены ниже: Уравнение зависимости консистенции К: К - 14,4 + 0,26.ГК - 2ДОЗ/В)- 0,017.(ГК)2 +32,3.(В/В)2 + +0,2.(С-3/В)2 -0,042.ГК.В/В - ОДГК.С-3/В + 17.4.В/В.С-3/В (3.2)
Уравнение зависимости R24 R24 = 5,2 + 0.002.ГК - ОДВ/В +0,25(С-3/В) - 0,002.(ГК)2- 0,8.(В/В)2 + +0,5.(С-3/В)2 - 0,005.ГК.В/В + 0,01ХК.С-3/В - 0,04.В/В.С-3/В (3.3) Уравнение зависимости R 2«: R2g= 18 + 0,05.ГК- 5,2.В/В + 0,005.(ГК)2- 5.(В/В)2 - 0,2.(С-3/В)2 + 0,026.ГК.В/В + 0,2.ГК.С-3/В - 2.В/В.С-3/В (3.4) Уравнение зависимости коэффициента размягчения Кр: Кр « 0,74 +0,001.ГК Ю,1.В/В+0,05.(С-3/В)+0,00005.(ГК)2Ч ,09.(В/В 0,03.(С-3/В)2 ,00095.ГК.В/В+0,00015.1Ж.С-3/В4),06.В/В.С-3/В (3.5)
Геометрическая интерпретация этих уравнений представляет графики зависимости параметров оптимизации от наиболее значимых переменных (рис.3.11-3.17).
Консистенция пасты вяжущего регулируется в широких пределах при введении в его составов суперпласгификатора С-3 в виде порошка. При количестве суперпластификатора в вяжущем от 0,2 до 0,8% его массы, увеличивает расплыв пасты увеличивается на 6-11см в зависимости от величины В/В отношения и содержания гидравлического компонента (рис.3.11). При постоянной дози-ровке суперпластификатора компонентный состав (его высоко дисперсная гидравлическая составляющая) оказывают наибольшее влияние на изменение консистенции пасты.
Для одного и тоже состава вяжущего пластифицирующий эффект заметнее проявляется при введении С-3 от 0,5% массы МГВ. Сравнительные данные о подвижности пасты МГВ при постоянном В/В отношении приведены на рис.3.12. За счет водоредуцирующего эффекта суперпластификатора нормальная густота пасты может быть снижена до 0,35... 0,40.
Прочность вяжущего в раннем возрасте, в первую очередь, зависит от содержания гипсового компонента, а также от В/В отношения, снижение которого обусловлено дозировкой суперпластификатора (рис.3.13). Наибольшую прочность на сжатие через два часа 5МПа имеет состав с содержанием гипсового вяжущего 90% при В/В=0,4 и количестве С-3-0,8%. Большая дозировка суперпластификатора незначительно повышает прочность, но позволяет достичь ее при сниженных значениях В/В.
Определение состава отделочных смесей
Состав отделочных смесей подбирается таким образом, чтобы обеспечить получение растворных смесей с заданными свойствами при наименьшем расходе вяжущего.
Определение составов отделочных смесей включает: - установление зависимостей между В/В отношением, консистенцией смеси и прочностью раствора при различных соотношениях между МГВ и песком; - назначение на основании этих данных составов отделочных смесей требуемой консистенции и прочности и их экспериментальную проверку.
На водопотребность и прочность раствора существенное влияние оказывают качественные характеристики песка, его гранулометрия. Стандартом [93] не допускается содержание зерен размером свыше 2,5мм в песках, применяемых в штукатурных растворах и свыше 1,25мм - в растворах для отделочного слоя. В качестве заполнителя для штукатурных растворах предусмотрено применение песка для строительных работ с модулем крупности от 1 до 2.
Для отделочных смесей в работе применен кварцевый песок, из которого удалены рассевом зерна крупнее 2,5мм и промывкой - окрашивающие примеси. Модуль крупности песка - 1,55.
Смеси готовили, используя два состава МГВ-2КС и ЗКС с комплексной добавкой и суперпластификатором (табл.3.4), а также с замедлителем ТБН-0,4% массы вяжущего. Консистенцию смеси определяли по расплыву стандартного конуса на встряхивающем столике (РК) (ГОСТ 310.4.-81 ) и по величине погружения эталонного конуса в раствор (ГОСТ 5802-78). Для определения прочностных показателей и плотности раствора в зависимости от продолжительности его твердения формовали образцы балочки 4x4x16см и кубы 5x5x5см.
Результаты испытания образцов приведены в табл.5.1., а установленные зависимости между величиной В/В, расплывом стандартного конуса и прочностью при различных соотношениях между вяжущим и песком-на рис.5 Л.
Для исследованных составов консистенция растворной смеси находится в прямой зависимости от величины В/В отношения. Изменение прочности на сжатие имеет криволинейной характер, подобный зависимостям прочности мелкозернистых бетонов на портландцементе от величины В/Ц [94].
Важным свойством отделочных растворов на МГВ является повышенное отношение прочности на изгиб к прочности на сжатие, находящееся в интервале 0,4-0,5, что косвенно свидетельствует об однородности раствора и хорошем сцеплении между вяжущем и заполнителем.
На основании эксперментарных зависимостей для растворов марок 100-150 следует принимать соотношение между МГВ и песком от 1:0.5 до 1:1 при В/В=0,4...0,5 и подвижности от 180 до 240мм.
При создании нового вида отделочного материала оценка стойкости и долговечности в основном необходима для отделочных слоев фасадов зданий и в меньшей мере для внутренней отделки.
Одним из методов оценки долговечности поверхностных отделочных слоев является определение их стойкости при переменном увлажнении и высушивании, приводящим к многократным изменениям объема, возникновению внутренних напряжений и в результате - к нарушению структуры материала. Циклические воздействия температуры и влаги характерны для климатических условий Африки.
При температурно-влажных испытаниях происходят физико-химические преобразования, обусловливающие взаимодействие двух противоположных процессов: - конструктивного вызывающего уплотнение, и упрочнение материала; - деструктивного, вызывающего возникновение в строении материала дефекты, снижающие его плотность и прочность.
Для выявления стойкости образцов их высушивали до постоянной массы, а затем помещали в воду на 15-18часов и вновь высушивали до постоянной массы при температуре 55 60С в сушильном шкафу.
