В статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния поликарбоксилатного пластификатора на реологические и физико-механические свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего. Показано положительное влияние углеродных нанотрубок в составе гиперпластификатора на исследуемые свойства данного вяжущего.
УДК 691.332
Р.Х. МУХАМЕТРАХИМОВ, канд. техн. наук, доцент кафедры технологий строительного производства, А.Р. ГАЛАУТДИНОВ, ассистент кафедры технологий строительного производства, Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Ключевые слова: гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, модификация, нанотрубки, пластификатор
Keywords: gypsum cement gypsum-pozzolanic binder, modification, nanotubes, plasticizer
В последнее время интенсивно осваиваются технологии производства строительных материалов с применением наносистем для направленного регулирования структуры и свойств строительных материалов на наноразмерном уровне.
Углеродные нанотрубки (УНТ) являются не только центрами кристаллизации, но и объектами, изменяющими направление и регулирующими скорость физико-химических процессов в твердеющих материалах [1]. Применение тех или иных наноразмерных частиц в качестве модификатора различных строительных материалов зависит от особенностей структурообразования композита, условиями повышения эксплуатационных свойств и параметров структуры композита [2]. Одним из факторов, сдерживающих применение УНТ в строительных материалах, является дороговизна, связанная со сложностью их производства, неразвитостью рынка, отсутствием рентабельного тоннажного производства [3].
Цель данной работы – исследовать эффективность гиперпластификатора, содержащего углеродные нанотрубки, для модификации гипсоцементно-пуццолановых систем.
Для приготовления композиционного вяжущего использовали строительный гипс Г6БII (ООО «Аракчинский гипс»), произведенный по ГОСТ 125-79, портландцемент Белгородского цементного завода ПЦ500 Д0, в качестве активной минеральной добавки использовали промышленный отход металлургической промышленности – ферросилиций, размолотый до удельной поверхности 391 м2/кг, следующего химического состава, %: Si – 63,7; Al – 2,5; С – 0,1; S – 0,02; P – 0,05; Mn – 0,4; Cr – 0,4.
В качестве ГП использовали продукт производства компании Coatex, Arkema (Франция) – Ethacryl™ HF, представляющий собой бесцветную вязкую текучую жидкость эфира поликарбоксилата в водном растворе солей натрия, характеристики которого приведены в табл. 1. В качестве УНТ использовали твердый концентрат УНТ (45 масс. %) в карбоксиметилцеллюлозе – Graphistrength CW2-45, производство Coatex (Arkema Group), Франция.
Таблица 1. Характеристики пластификатора Ethacryl™ HF
| Наименование показателя | Значение показателя |
| рН при 20°С | 3,7 |
| Плотность, г/см3 | 1,06 |
| Количество сухого остатка основного вещества, % | 40 |
| Точка кристаллизации, °С | 0 |
| Точка кипения, °С | 100 |
| Температура вспышки, °С | >100 |
В ранее выполненных исследованиях показан механизм действия активных минеральных добавок, различных по происхождению, минеральному составу, степени дисперсности и активности и являющихся в том числе побочными продуктами промышленности [4, 5]. Определено воздействие различных пластифицирующих добавок на реологические свойства гипсового, цементного и гипсоцементно-пуццоланового вяжущего и на физико-механические свойства гипсоцементно-пуццоланового камня [6]. Разработанная комплексная добавка для гипсоцементно-пуццоланового вяжущего на основе низкомарочного гипса [7] позволяет получать изделия с высокой конечной прочностью и повышенным коэффициентом размягчения при замедлении кинетики начального структурообразования.
В работе [8] показано, что введение исследуемых УНТ в состав органо-неорганических связующих способствует интенсификации процессов отверждения и приводит к формированию более однородной и тонкодисперсной фазовой структуры эмульсий и отвержденных композитов.
В данной работе на первом этапе исследований определяли необходимое количество АМД в составе ГЦПВ, которое подбирали по концентрации оксида кальция, содержащегося в специальных препаратах, представляющих собой водные суспензии полуводного гипса, портландцемента и АМД по методике, описанной в [9].
Зависимость концентрации CaO в растворе от количества исследуемой АМД на 5-е и 7-е сутки показана на рис. 1.
Необходимое количество ферросилиция подбирали по вышеуказанному графику таким образом, чтобы концентрация окиси кальция на 5-е сутки не превышала 1,1 г/л, а на 7-е сутки была менее 0,85 г/л. Зная количество цемента, взятое для приготовления препаратов, и полученное количество активной минеральной добавки, определяли расход добавки в масс. частях на одну масс. часть цемента.
По результатам выполненных исследований установлено, что для исключения образования эттрингита необходимо 20% ферросилиция от массы ПЦ или 4% от массы ГЦПВ. Далее ферросилиций вводили взамен части гипса, содержание ПЦ не менялось и составило 20%.
На втором этапе исследований изучено влияние ГП на реологические свойства ГЦПВ. Испытания проводились по методике, описанной в ГОСТ 23789-79. Результаты исследований приведены в табл. 2.
Таблица 2. Влияние ГП и УНТ в их составе на реологические свойства ГЦПВ
| Вид ГП | Содержание ГП, % | НГ | Сроки схватывания, мин. | |
| начало | конец | |||
| — | — | 0,54 | 5 | 8 |
| Coatex Ethacryl™ HF | 0,5 | 0,41 | 8,5 | 10 |
| 1 | 0,39 | 9 | 11 | |
| 1,5 | 0,37 | 9 | 11 | |
| Coatex Ethacryl™ HF + 0,15% УНТ | 0,5 | 0,40 | 8 | 10 |
| 1 | 0,39 | 8 | 9 | |
| 1,5 | 0,38 | 9,5 | 11 | |
Как видно из табл. 2, исследуемые ГП оказывают влияние на процессы структурообразования, что выражается в изменении нормальной густоты (НГ) и сроков схватывания ГЦПВ. Так, НГ в зависимости от содержания ГП снижается на 13-14,7%, сроки начала и конца схватывания при этом удлиняются на 3,5-4,5 и 1-3 мин. соответственно. Наличие УНТ в составе ГП (0,5-1%) приводит к незначительному ускорению сроков начала и конца схватывания (0,5-2 мин.).
На третьем этапе исследований изучено влияние ГП на физико-механические характеристики ГЦПВ состава 72:20:8. Испытания проводились на стандартных образцах-балочках размерами 4х4х16 см из формовочной смеси нормальной густоты по методике, описанной в ГОСТ 23789-79. Результаты приведены на рис. 2, 3.
Анализ табл. 2 и рис. 2, 3 показывает, что снижение количества воды затворения приводит к увеличению пределов прочности на изгиб и сжатие. Так, в зависимости от дозировки ГП Coatex Ethacryl™HF увеличивает показатели прочности при изгибе на 9-17%; ГП Coatex Ethacryl™HF + УНТ – на 12-35%.
Исследуемые ГП также оказывают существенное влияние на относительный предел прочности при изгибе образцов ГЦПВ. Например, в зависимости от дозировки ГП Coatex Ethacryl™HF увеличивает показатели предела прочности при сжатии на 11-27%; ГП Coatex Ethacryl™HF + УНТ – на 11-32%.
Введение исследуемого ГП позволяет увеличить водостойкость готовых изделий, что выражается в повышении коэффициента размягчения. ГП Coatex Ethacryl™HF в зависимости от концентрации повышает коэффициент размягчения на 7-27,9%, ГП Coatex Ethacryl™HF + УНТ – на 13,9-39,5%.
Таким образом, можно заключить, что введение 0,15% исследуемых УНТ в состав ГП приводит к повышению его эффективности, заключающейся в увеличении пределов прочности при изгибе и сжатии ГЦПВ на 18 и 5% по сравнению с исходным ГП. Изделия, содержащие исследуемую добавку, обладают высокими прочностными характеристиками и водостойкостью.
Библиографический список
1. Хузин А.Ф., Габидуллин М.Г., Сулейманов Н.М., Тогулев П.Н. Влияние добавки-наномодификатора на основе углеродных нанотрубок на прочность цементного камня // Известия КГАСУ, №2(16), 2011, с. 185-189.
2. Королв Е.В. Основные принципы практической нанотехнологии в строительном материаловедении // Научный интернет-журнал «Нанотехнологии в строительстве», №1, 2009, с. 66-79.
3. Бурьянов А.Ф. К вопросу модификации структуры и свойств гипсовых материалов углеродными нанотрубками // Материалы XV Академических чтений РААСН – Межд. научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Т. II. – Казань, 2010, с. 272-274.
4. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Исследование влияния активных минеральных добавок на реологические и физико-механические свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Строительные материалы, №5, 2015, с. 20-23.
5. Алтыкис М.Г., Халиуллин М.И., Рахимов Р.З., Морозов В.П., Бахтин А.И. Влияние добавок цеолитсодержащих пород на свойства гипсовых вяжущих // Известия высших учебных заведений. Строительство, №3, 1996, с. 56.
6. Изотов В.С., Мухаметрахимов Р.Х., Галаутдинов А.Р. Комплексная добавка для повышения эффективности гипсоцементно-пуццоланового вяжущего // Строительные материалы, №8, 2016, с. 70-73.
7. Пат. 2551179 РФ, МПК 7 С 04 В 11/30. Гипсоцементно-пуццолановая композиция [Текст] / В.С. Изотов, Р.Х. Мухаметрахимов, А.Р. Галаутдинов, Р.Ф. Каримов, Ю.В. Тагирова; ФГБОУ ВПО «КГАСУ», В.С. Изотов. – № 2014105564/03; заявл. 14.02.14; опубл. 20.05.15, бюлл. № 14, – 6 с.: илл.
8. Старовойтова И.А., Хозин В.Г., Корженко А.А., Халикова Р.А., Зыкова Е.С. Структурообразование в органо-неорганических связующих, модифицированных концентратами многослойных углеродных нанотрубок // Строительные материалы, №1-2, 2014, с. 12-20.
9. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия. Производство и применение. Справочник. – Москва: АСВ, 2004, – 488 с.
