В статье показана актуальность использования в составе сухих строительных смесей местных сырьевых ресурсов, в том числе техногенных. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по применению термически активированной глины местных месторождений и боя керамического кирпича, образующегося в качестве отхода в процессе проведения ремонтных работ, измельченных в шаровой мельнице до класса крупности 0,5-1,0 мм, в качестве минеральной добавки-заполнителя в составе сухих строительных смесей на основе гипсоцементных композиций. Выполненные исследования позволили установить гидравлическую активность исследуемых добавок, их влияние на реологические и физико-механические свойства композиционного вяжущего, а также определить их оптимальное содержание в составе смеси. Показано, что введение исследуемых минеральных добавок в оптимальных количествах позволяет получить штукатурные растворы с улучшенными физико-механическими свойствами относительно смесей с традиционно используемым в качестве заполнителя песком для строительных работ.
УДК 691.56: 666.971
В.С. ГРЫЗЛОВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой, А.И. ФОМЕНКО, доктор техн. наук, профессор, А.Г. КАПТЮШИНА, канд. техн. наук, доцент, Т.Н. ЧОРНАЯ, доцент, кафедра строительства, ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет», г. Череповец Вологодской области
Ключевые слова: гипсоцементное вяжущее, сухая строительная смесь, активные минеральные добавки, гидравлическая активность
Keywords: astringent gypsum cement, dry mortar, active mineral additives, hydraulic activity
В настоящее время вопросы производства сухих строительных смесей достаточно хорошо изучены и описаны в литературе [1-5]. Современные CCC – многокомпонентные системы. В зависимости от назначения в смеси вводят различные компоненты. Основные компоненты ССС – минеральные вяжущие, портландцемент и его разновидности (ГОСТ 31356-2013), а также гипс и его разновидности (ГОСТ 31376-2008). Для уменьшения расхода вяжущего используют различной природы и дисперсности заполнители. В качестве минеральных добавок, модифицирующих и дополняющих основное вяжущее, используют гашеную известь, активные кремнеземистые добавки. Качество смесей во многом определяется рациональным составом применяемых химических добавок: пластификаторов, регуляторов реологических свойств, компонентов, повышающих водоудерживающую способность смесей и др.
Проведенный аналитический обзор научных публикаций по вопросам производства ССС показал, что в связи с повышением технологических требований к качеству разработка рецептуры смесей путем использования местных минеральных ресурсов является экономически оправданной и определяет актуальность и перспективность проводимых в этом направлении исследований. Известны работы, основанные на применении в составе ССС местных сырьевых ресурсов, способных без потери качества заменить традиционные материалы [6-10] и др.
Целью представленных в данной работе исследований являлось установление возможности использования в составе сухих строительных смесей местных сырьевых ресурсов, в том числе техногенных, и изучение их влияния на кинетику твердения растворов и физико-технические характеристики образцов искусственного камня.
Материалы и методы исследования
В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению сухих смесей для штукатурных растворов. Рецептура сухих смесей разрабатывалась на основе местного сырья. Для проведения экспериментальных исследований в качестве основного компонента смесей использовали гипсовое вяжущее.
Преимущества гипсовых штукатурных растворов перед традиционными цементно-песчаными штукатурными растворами – в их высокой пластичности и водоудерживающей способности, отсутствии усадочных деформаций, возможности получения гладкой поверхности без дополнительного шпаклевания. Гипсовые штукатурные растворы сохраняют подвижность необходимое время для их использования, быстро набирают прочность и высыхают, способны как поглощать влагу, так и выделять ее, сохраняя постоянную влажность в помещении и благоприятный микроклимат. Однако им присуща невысокая водостойкость, что ограничивает области и масштабы их применения в строительстве. В работе водостойкость гипсовых штукатурных растворов повышали созданием смешанного гипсоцементно-пуццоланового вяжущего.
В штукатурных растворах в качестве заполнителя, повышающего прочностные свойства и устойчивость к растрескиванию, традиционно применяется песок для строительных работ с модулем крупности от 1 до 2. Традиционными добавками, обеспечивающими водоудерживающую способность таких растворов, являются воздушная известь и глина [4]. Нами исследованы составы смесей с различными заполнителями.
Для проведения испытаний в качестве основных компонентов ССС использовали гипс строительный марки Г-6АI по ГОСТ 125-79 производства ООО «Аракчинский гипс». Для повышения водостойкости использовали портландцемент ПЦ Д20 марки 400М по ГОСТ 10178-85 Пикалевского цементного завода.
В качестве минеральной добавки-заполнителя применяли:
– песок для строительных работ с модулем крупности от 0,7 до 1,6;
– термически активированную глину, содержащую в своем составе дегидратированные глинистые минералы;
– кирпичный порошок, получаемый тонким измельчением боя керамического кирпича, образующегося в качестве отхода при замене кирпичной кладки в процессе проведения ремонтных работ на предприятии МУП «Теплоэнергия» (г. Череповец).
Глину применяли местных месторождений, характеризующуюся полиминеральным составом с повышенным содержанием монтмориллонита. Обжиг глин проводили при температуре 600-700°С.
При проведении исследований пробы дегидратированной глины и боя керамического кирпича предварительно размалывали в шаровой мельнице и рассеивали на фракции. Подготовленные минеральные материалы, представленные смесью фракций класса крупности 0,5-1,0 мм, использовали для приготовления сухих растворных смесей.
В качестве химических добавок использовали пластификатор на основе лигносульфоната технического (ЛСТ) (ТУ 2455-0316-46289715-2000) и лимонную кислоту. Лимонная кислота использована в качестве замедлителя схватывания гипсового вяжущего.
Состав смеси исследован в диапазоне основных компонентов гипсовое вяжущее (Г) – цемент (Ц) – минеральная добавка-заполнитель (Д), масс. %: Г:Ц:Д=(50-70):(20-30):(10-20). Количество химических добавок определялось в зависимости от содержания вяжущего в составе смеси с учетом общепринятых рекомендаций к их применению.
Исходя из технологических и эксплуатационных характеристик штукатурных растворов, по результатам проведения предварительных испытаний были подобраны оптимальные составы смеси. Изменение реологических и физико-механических характеристик смесей и строительных растворов на их основе изучено с использованием смесей компонентного состава, масс. %: Г:Ц:Д=57:29:14. Из сухих смесей этого состава готовили растворные смеси одинаковой подвижности при водовяжущем отношении 0,33. Химические добавки вводили с водой затворения в расчете на сухое вещество по массе вяжущего, масс. %: 0,03 лимонной кислоты и 0,25 ЛСТ. Испытания смесей и растворов на их основе проводили в соответствии с методиками действующих стандартов. Исследования физико-механических характеристик штукатурных растворов проводили на стандартных образцах-балочках размерами 14×14×160 мм, изготовленных из формовочной смеси нормальной густоты, пластическим способом путем кратковременной виброобработки. Исследование влияния отдельных компонентов смеси на предел прочности образцов при сжатии и изгибе и водостойкость камня проводили на образцах, твердевших 28 сут. в нормальных воздушно-сухих условиях и во влажных условиях. Кинетику твердения растворов на основе сухой смеси изучали по изменению прочности.
Результаты и их обсуждение
Проведенные исследования подтверждают, что рассмотренные в работе заполнители на основе как дегидратированной глины, так и кирпичного порошка можно использовать для производства ССС. Результаты испытаний приведены в таблице 1 и на рисунках 1-4.
Таблица 1. Показатели свойств смесей и растворов на их основе
| Вид добавки-заполнителя | Сроки схватывания, ч-мин | Коэффициент гидравличности Кгидр | Коэффициент деформативности Кдеф | |
| начало | конец | |||
| Песок | 0-9 | 0-12 | 0,80 | 0,329 |
| Дегидратированная глина | 0-9 | 0-12 | 0,67 | 0,416 |
| Кирпичный порошок | 0-9 | 0-12 | 0,81 | 0,356 |
В результате проведенного исследования установлено, что используемые в качестве заполнителя минеральные добавки на основе дегидратированной глины и кирпичного порошка обладают полифункциональным действием.
Известно [11, с. 445], что в растворах смеси гипсовых вяжущих с портландцементом для предотвращения образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) 3СаО·Аl2О3·3СаSО4·31(32)Н2О, вызывающего деформации и разрушение системы, в качестве высокоактивных кислых минеральных добавок применяют глины, обожженные при 600-700°С. Дегидратированные глинистые минералы, аморфизованные в результате удаления гидратной воды и характеризующиеся повышенной реакционной способностью, взаимодействуют с гидроксидом кальция и водой с образованием низкоосновных гидроалюминатов кальция, что предопределяет устойчивость системы при длительном твердении.
На рис. 1 приведены зависимости, характеризующие кинетику изменения прочности при изгибе и сжатии образцов искусственного камня на основе гипсоцементного вяжущего от вида минеральной добавки-заполнителя. С увеличением продолжительности твердения прочность образцов всех составов возрастает. Характер кинетики нарастания прочности при твердении образцов растворов сухих смесей остается практически неизменным. Введение в состав смеси заполнителей на основе дегидратированной глины или кирпичного порошка приводит к некоторому повышению предела прочности относительно смесей с песком.
Рис. 1. Кинетика нарастания прочности при твердении образцов растворов сухих строительных смесей на основе гипсоцементного вяжущего с различными заполнителями: у1 – кварцевый песок; у2 – дегидратированная глина; у3 – тонкодисперсный порошок керамического кирпича; 1 – прочность образцов через 2 ч после затворения; 2 – прочность образцов через 7 сут. твердения в воздушно-сухих условиях; 3 – прочность образцов через 28 сут. твердения в воздушно-сухих условиях
Установленное различие в значениях показателей предела прочности как при изгибе, так и при сжатии дает основание предполагать о проявлении гидравлической активности исследуемых добавок в составе композиционного вяжущего, соизмеримой с активностью традиционно используемого в качестве заполнителя песка для строительных работ (рис. 2).
Рис. 2. Результаты испытаний образцов растворов сухих строительных смесей на основе гипсоцементного вяжущего на прочность и водостойкость с различными заполнителями: у1 – кварцевый песок; у2 – дегидратированная глина; у3 – тонкодисперсный порошок керамического кирпича; 1 – прочность образцов через 2 ч после затворения; 2 – прочность образцов через 7 сут. твердения в воздушно-сухих условиях; 3 – прочность образцов через 28 сут. твердения в воздушно-сухих условиях; 4 – прочность образцов через 28 сут. твердения во влажных условиях
При этом снижение водостойкости по коэффициенту гидравличности Кгидр, определяемого как отношение предела прочности при сжатии образцов, твердевших во влажных условиях, к пределу прочности при сжатии образцов, твердевших в нормальных воздушно-сухих условиях, установлено для образцов растворов, изготовленных из смеси, содержащей в качестве заполнителя дегидратированную глину. Значимого различия в величинах этого показателя при замене песка кирпичным порошком не установлено (табл. 1).
Средняя плотность образцов растворов ССС с различными заполнителями изменяется незначительно (рис. 3). Различия в значениях сроков схватывания образцов растворов также не отмечено (табл. 1).
Повышение влажности образцов растворов в возрасте 28 сут. в пределах до 6,5 масс. % показано при использовании дегидратированной глины, а повышение водопоглощения (до 3,5%) – при замене песка порошком кирпичного боя (рис. 4), что необходимо учитывать при их применении в качестве минеральной добавки-заполнителя в составе сухих смесей на основе композиционного гипсоцементного вяжущего.
Существенного различия в значениях показателя трещиностойкости, определяемого по величине коэффициента деформативности (Кдеф=Rизг/Rсж), образцов раствора при использовании исследованных в работе заполнителей относительно смесей с песком не установлено (табл. 1). При этом по данным значений коэффициента деформативности образцов всех составов, а также их визуальном осмотре установлено, что можно получить штукатурный раствор повышенной трещиностойкости с использованием исследованных в работе местных сырьевых ресурсов.
Выводы:
Общий анализ установленных зависимостей подтверждает теоретические предпосылки о гидравлической активности использованных в работе порошков термически активированной глины и боя керамического кирпича, содержащих в своем составе дегидратированные глинистые минералы. Установлено, что гидравлическая активность подготовленных порошков соизмерима с активностью традиционно используемого в качестве заполнителя песка для строительных работ. Показано, что штукатурные растворы на основе сухих смесей, изготовленных по разработанной рецептуре, отвечают установленным требованиям к данному виду продукта. Экономические преимущества при производстве таких смесей также очевидны, поскольку получены из местного сырья.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М., Коровяков В.Ф., Денисов Г.А. Технология сухих строительных смесей. – М.: Издательство АСВ, 2015, – 112 с.
2. Винниченко В.И., Костюк Т.А., Мокренко Н.Н., Иващенко Т.Г. Строительные материалы на основе фосфогипса // Сухие строительные смеси, №3, 2014, с. 18-19.
3. Козлов В.В. Сухие строительные смеси: Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2000, – 96 с.
4. Коровяков В.Ф. Гипсовые сухие смеси // Сухие строительные смеси, №4, 2008, с. 30-33.
5. Сухие строительные смеси: Справочник. – М.: Стройинформ, 2007, – 828 с.
6. Кудуманов М.В., Зимакова Г.А., Иванов Н.К. Использование доменного гранулированного шлака и полипропиленового волокна в производстве сухих строительных смесей // Строительные материалы, №3, 2006, с. 20-21.
7. Логанина В.И., Пучков Р.Ю., Глебова Т.А. Сухие отделочные смеси на базе местных материалов // Жилищное строительство, №8, 2003, с. 20-21.
8. Медяник Ю.В., Секерина Н.В., Рахимов Р.З. Штукатурные сухие смеси с использованием минерального сырья РТ // Известия КГАСА, №1, 2003, с. 51-53.
9. Мещеряков Ю.Г., Федоров С.В. Промышленная переработка фосфогипса. – СПб.: Стройиздат СПб, 2007, – 104 с.
10. Орентлихер Л.П., Логанина В.И., Пичугин А.М. Сухие смеси для отделки стен зданий на базе местных материалов // Известия вузов. Строительство, №7, 2001, 39-42.
11. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества: Учеб. для вузов. – 4 изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1986, – 464 с.
