Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
The results of a study of the structure and physical-mechanical properties of a large-pore (sand-free) polystyrene concrete using a foam granulated polystyrene modified with silicate pastes obtained by mixing microsilica with a superplasticizer C-3 and aqueous solutions of binding components (polyvinyl acetate dispersion, low molecular weight polyethylene glycol, liquid sodium about the glass). It is established that as a result of chemical interaction of constituent components of silicate pastes and Portland cement on the surface of polystyrene granules a dense shell with a thickness of 100 to 150 μm is formed. This leads to an increase in the adhesive strength of polystyrene concrete by a factor of 1.5–2.2, compressive strength at the age of 28 days by 1.8–2.9 times with an increase in the average density by 2.1–3 %, and the coefficient of thermal conductivity by 2.4–4.8 %, and also decrease of water absorption by 18–33 %.
large-pored (sandless) polystyrene concrete, properties, microsilica, polyvinyl acetate dispersion, low molecular weight polyethylene glycol, liquid sodium glass, silicate pastes
Введение. Полистиролбетон (ПСБ) на основе цементного вяжущего представляет собой сложную систему, в которой полярная жидкость (вода) не смачивает гидрофобную поверхность заполнителя – гранулированного вспененного полистирола (ПВГ). В связи с этим, основным недостатком ПСБ является низкая адгезия ПВГ к цементному тесту и камню, что приводит к расслаиванию бетонной смеси в процессе приготовления, выкрашиванию заполнителя из затвердевшего композита, снижению прочности и других эксплуатационных характеристик полистиролбетона [1–3].
К эффективным условиям формирования более прочных адгезионных контактов в системе «полистирол – цементная матрица» относится использование органических и минеральных микро- и нанодисперсных добавок, приводящих к образованию адсорбционных промежуточных слоев в зоне контакта гидрофобной поверхности гранул ПВГ и гидрофильной поверхности цементных частиц и продуктов его гидратации [4–7].
Ранее выполненные исследования показывают, что повысить адгезию полистирола к цементному тесту и камню можно путем модификации гранул ПВГ силикатными пастами, получаемыми смешиванием органоминеральных кремнеземсодержащих компонентов с водными растворами связующих веществ из группы полиэтиленгликолей, поливинилацетатных дисперсий, жидких стекол и др. [8–15].
Целью данной работы является исследование влияния силикатных паст, получаемых смешиванием кремнеземсодержащего минерального компонента с органическим компонентом и водными растворами связующих веществ, на структуру и физико-механические свойства крупнопористого (беспесчаного) ПСБ.
Методика. При проведении исследований применялись следующие методы: лазерная гранулометрия на анализаторе Analysette 22 NanoTec Plus (распределение по размерам кремнеземсодержащего минерального компонента силикатных паст), фотонно-корреляционная спектроскопия на анализаторе ZetaPlus (распределение по размерам силикатных паст), растровая электронная микроскопия на микроскопах TESCAN MIRA 3 LMU и Versa 3D (структура силикатных паст и ПСБ), стандартные методы испытаний полистиролбетонных смесей и полистиролбетона.
В качестве кремнеземсодержащего минерального компонента для получения силикатных паст применялся конденсированный неуплотненный микрокремнезем (МК) марки МК-85 [16] (ООО «Альянс-Строительные Технологии», г. Дзержинский, Московская область). Средний диаметр частиц МК составлял 1150 нм, полидисперсность – 3,54 %. Доля частиц, попадающих в нанодиапазон (от 10 до 100 нм), составляла
0,11 %; в ультрадиапазон (от 100 до 1000 нм) – 39,47 %; в микродиапазон (от 1000 до
10000 нм) – 58,37 %; в макродиапазон (от 10000 до 100000 нм) – 2,05 %.
Органическим компонентом силикатных паст являлся суперпластификатор С-3 (СП С-3) в виде сухого вещества (ОАО «Полипласт», г. Новомосковск, Тульская область).
Связующими компонентами силикатных паст служили: гомополимерная, грубодисперсная, не пластифицированная, стабилизированная поливиниловым спиртом поливинилацетатная дисперсия (ПВА) марки Д51С [17] (ООО «ПолиХим», г. Рязань); низкомолекулярный полиэтиленгликоль (ПЭГ) марки ПЭГ-400 [18] (ООО «НОРКЕМ», г. Нижний Новгород); жидкое натриевое стекло (ЖНС) плотностью 1400 кг/м3, силикатным модулем 2,9 [19] (ООО «Меттерра», г. Челябинск).
Получение силикатных паст заключалось в перемешивании микрокремнезема с суперпластификатором С-3, а затем с водным раствором соответствующего связующего компонента.
Вещественный состав силикатных паст разрабатывался методом ортогонального центрального трехфакторного математического планирования эксперимента с получением функций отклика и номограмм, связывающих выходные параметры (y1 – средняя плотность ПСБ, кг/м3; y2 – прочность на сжатие ПСБ в возрасте 28 суток, МПа) с переменными факторами (х1 – соотношение МК:МК, х2 – соотношения ПВА:МК, ПЭГ:МК, ЖНС:МК, х3 – соотношение СП С-3:МК), варьируемыми в пределах: х1 – от 1 до 1,66, х2 – от 0,67 до 1,33,
х3 – от 0,017 до 0,049.
Выбор факторов, уровней и интервалов варьирования осуществлялся, исходя из технико-экономической целесообразности и выявления их оптимальных значений, обеспечивающих получение образцов ПСБ с пониженной средней плотностью и повышенной прочностью на сжатие.
Исследование влияния силикатных паст на структуру и физико-механические свойства ПСБ (среднюю плотность, коэффициент теплопроводности, водопоглощение, адгезионную прочность, прочность на сжатие) осуществлялось на образцах-кубах размерами 7×7×7 см, изготовленных из равноподвижных (маркой по подвижности П1) смесей портландцемента марки ЦЕМ I 42,5 Н, гранулированного вспененного полистирола с размером гранул 2,5-3 мм, воды. Испытания образцов проводились через 28 суток нормального твердения.
Полистиролбетонные смеси приготавливались в следующей последовательности: дозирование сырьевых компонентов, получение силикатных паст, предварительное смешивание ПВГ с соответствующей силикатной пастой, выдержка модифицированного заполнителя до начала схватывания пасты и его перемешивание с портландцементом и водой затворения.
Основная часть. По данным трехфакторного планирования эксперимента установлено, что функции отклика средней плотности и прочности на сжатие ПСБ от факторов, определяющих вещественный состав силикатных паст, описываются следующими уравнениями регрессии:
– с пастой на основе ПВА:
y1 = 433,4 – 3,6х1 – 1,6х2 + 1,0х3 – 2,4х12 + 1,8х22 – 2,4х32 + 1,0х1х2 + 0,25х2х3; (1)
y2 = 3,72 – 0,58х1 – 0,2х2 + 0,08х3 – 0,22х12 + 0,51х22 – 0,42х32 + 0,09х1х2 – 0,03х1х3 – 0,02х2х3; (2)
– с пастой на основе ПЭГ:
y1 = 440,5 + 4,4х1 + 0,8х2 – 0,4х3 – 4,4х12 – 3,2х22 – 0,8х32 + 0,88х1х2 + 0,38х1х3 – 0,38х2х3; (3)
y2 = 4,96 + 0,62х1 + 0,21х2 – 0,04х3 – 1,01х12 – 0,81х22 + 0,19х32 + 0,08х1х2 + 0,03х1х3 – 0,01х2х3; (4)
– с пастой на основе ЖНС:
y1 = 432,3 + 3,1х1 + 0,7х2 ‒ 1,1х3 + 3,5х12 – 0,1х22 + 1,7х32 – 0,63х1х2 – 0,38х1х3 + 0,63х2х3; (5)
y2 = 1,88 + 0,51х1 + 0,53х2 ‒ 0,29х3 + 3,13х12 + 0,62х22 + 1,01х32 – 0,68х1х2 + 0,09х1х3 + 0,22х2х3. (6)
Номограммы отклика средней плотности и прочности на сжатие ПСБ от факторов, определяющих вещественный состав силикатных паст, представлены на рис. 1.
Из уравнений (1, 2) и номограмм (рис. 1, а, б) следует, что эффективным составом силикатной пасты на основе поливинилацетатной дисперсии является соотношение: МК:МК – 1, ПВА:МК – 0,67, СП С-3:МК – 0,033. Средняя плотность ПСБ с данной пастой составляет 439 кг/м3, прочность на сжатие 4,9 МПа.
Уравнения (3, 4) и номограммы (рис. 1, в, г) показывают, что эффективным составом силикатной пасты на основе низкомолекулярного полиэтиленгликоля является соотношение: МК:МК – 1,33, ПЭГ:МК – 1, СП С-3:МК – 0,017. Образцы ПСБ с этой пастой имеют среднюю плотность 440 кг/м3, прочность на сжатие 5,3 МПа.
а) б)
в) г)
д) е)
Рис. 1. Номограммы отклика средней плотности (а, в, д) и прочности на сжатие (б, г, е) полистиролбетона от факторов, определяющих вещественный состав силикатных паст:
а, б – с пастой на основе ПВА; в, г – с пастой на основе ПЭГ; д, е – с пастой на основе ЖНС
Уравнения (5, 6) и номограммы (рис. 1, д, е) свидетельствуют о том, что эффективным составом силикатной пасты на основе жидкого натриевого стекла является соотношение: МК:МК – 1,66, ЖНС:МК – 0,67, СП С-3:МК – 0,017. Модифицирование полистирола указанной пастой перед смешиванием с портландцементом позволяет получить ПСБ со средней плотностью 443 кг/м3, прочностью на сжатие 7,7 МПа.
Ранее выполненные исследования показали, что при смешивании микрокремнезема с СП С-3 и водным раствором ПВА образуется паста, в которой средний диаметр частиц МК превышает исходный в 2,4 раза, а полидисперсность – в 14 раз. При этом минимальный диаметр частиц МК увеличивается от 100 до 725 нм (в 7,3 раза), а максимальный диаметр снижается от 17120 до 10000 нм (в 1,7 раза) [20].
Смешивание микрокремнезема с СП С-3 и водным раствором ПЭГ приводит к увеличению среднего диаметра частиц МК в составе пасты в 1,6 раза (от 1150 до 1804 нм), а полидисперсности – в 8,6 раза (от 3,5 до 30,2 %). Минимальный диаметр частиц МК увеличивается от 100 до 119 нм (в 1,2 раза), а максимальный диаметр снижается от 17120 до 2656 нм (в 6,4 раза).
а) б)
в) г)
д) е)
Рис. 2. Структура силикатных паст на основе ПЭГ (а, б), ПВА (в, г), ЖНС (д, е):
а, в, д – увеличение в 50000 раз; б – увеличение в 250000 раз; г, е – увеличение в 200000 раз
В то же время, смешивание микрокремнезема с СП С-3 и водным раствором ЖНС способствует увеличению среднего диаметра частиц МК в составе пасты от 1150 до 1196 нм и повышению полидисперсности от 3,5 до 22,6 % (в 6,5 раза). Минимальный диаметр частиц МК увеличивается в 1,9 раза (от 100 до 187 нм), а максимальный диаметр снижается в 14 раз (от 17120 до 1209 нм).
По данным растровой электронной микроскопии (РЭМ) установлено, что использование низкомолекулярного полиэтиленгликоля в качестве связующего вещества силикатной пасты приводит к формированию агломератов из частиц исходного МК. При этом в составе пасты содержатся отдельные частицы диаметром от 40 до 115 нм (рис. 2, а, б).
Поливинилацетатная дисперсия способствует образованию разветвленных агрегатов из сильно связанных между собой частиц МК. В составе пасты содержатся отдельные частицы диаметром от 70 до 184 нм (рис. 2, в, г).
При этом жидкое натриевое стекло приводит к формированию цепопечных агломератов из частиц исходного МК. В составе пасты содержатся отдельные частицы диаметром от 41 до 140 нм (рис. 2, д, е).
Результаты РЭМ показали, что зона контакта цементного камня с поверхностью ПВГ в образце контрольного состава полистиролбетона характеризуется четко выраженной границей раздела фаз (рис. 3, а, б).
Предварительная обработка полистирольных гранул силикатной пастой определенного состава, их выдержка до начала схватывания пасты и последующее смешивание с портландцементом и водой приводят к улучшению адгезии ПВГ с цементным камнем. Это обусловлено формированием на поверхности полистирола плотной оболочки толщиной от 100 до 150 мкм, как результат химического взаимодействия компонентов пасты и портландцемента (рис. 3, в, г).
а) б)
в) г)
Рис. 3. Структура полистиролбетона контрольного (а, б) и модифицированного состава (в, г): а – увеличение в 1000 раз; б – увеличение в 3000 раз; в – увеличение в 650 раз; в – увеличение в 1200 раз
Анализ влияния силикатных паст на физико-механические свойства полистиролбетона показал, что при использовании пасты с ЖНС средняя плотность ПСБ увеличивается от 430 до 443 кг/м3 (на 3 %), с ПЭГ – до 440 кг/м3 (на 2,3 %), с
ПВА – до 439 кг/м3 (на 2,1 %) (табл. 1).
Установлено, что паста на основе ЖНС приводит к увеличению коэффициента теплопроводности ПСБ от 0,125 до 0,131 Вт/(м·°С)
(на 4,8 %), на основе ПЭГ – до 0,129 Вт/(м·°С) (на 3,2 %), на основе ПВА – до 0,128 Вт/(м·°С) (на 2,4 %).
При введении пасты с ЖНС водопоглощение по массе ПСБ снижается от 5,2 до 3,5 % (на
33 %), с ПЭГ – до 3,9 % (на 25 %), с ПВА – до
4,3 % (на 17 %).
Из полученных результатов следует, что прочность на сдвиг (адгезионная прочность) ПСБ с пастой на основе ЖНС увеличивается от 0,042 до 0,093 МПа (в 2,2 раза), с ПЭГ – до 0,082 (в 2 раза), с ПВА – до 0,065 (в 1,5 раза).
При этом прочность на сжатие ПСБ в возрасте 28 суток повышается от 2,7 до 7,7 МПа (в 2,9 раза), до 5,3 (в 2 раза), до 4,9 МПа (в 1,8 раза) соответственно.
Таблица 1
Физико-механические свойства полистиролбетона
|
Состав полистиролбетонной смеси, % по массе |
Показатели свойств |
|||||||
|
портландцемент |
гранулированный пенополистирол |
силикатная паста |
вода |
средняя плотность, кг/м3 |
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С) |
водопоглощение по массе, % |
прочность на сдвиг (адгезионная прочность), МПа |
прочность на сжатие, МПа |
|
ПСБ контрольного состава |
||||||||
|
70,8 |
6,3 |
- |
22,9 |
430 |
0,125 |
5,2 |
0,042 |
2,7 |
|
ПСБ с силикатной пастой на основе ЖНС |
||||||||
|
70,8 |
6,3 |
0,2 |
22,7 |
443 |
0,131 |
3,5 |
0,093 |
7,7 |
|
ПСБ с силикатной пастой на основе ПЭГ |
||||||||
|
70,8 |
6,3 |
0,2 |
22,7 |
440 |
0,129 |
3,9 |
0,082 |
5,3 |
|
ПСБ с силикатной пастой на основе ПВА |
||||||||
|
70,8 |
6,3 |
0,2 |
22,7 |
439 |
0,128 |
4,3 |
0,065 |
4,9 |
Выводы. В ходе проведения исследований выявлен характер влияния силикатных паст, получаемых смешиванием микрокремнезема с суперпластификатором С-3 и водными растворами связующих компонентов (поливинилацетатной дисперсии, низкомолекулярного полиэтиленгликоля, жидкого натриевого стекла), на структуру и физико-механические свойства крупнопористого (беспесчаного) полистиролбетона, а также разработан вещественный состав, изучены структура и размер частиц данных паст. Установлено, что использование поливинилацетатной дисперсии и низкомолекулярного полиэтиленгликоля в качестве связующих компонентов паст является менее эффективным, поскольку они способствуют существенному укрупнению (агломерации и агрегации) частиц исходного микрокремнезема, увеличивая их средний диаметр в 1,6 и 2,4 раза соответственно. Выявлено, что частицы микрокремнезема более устойчивы к процессам агломерации и агрегации в составе пасты на основе жидкого натриевого стекла. В данном случае наблюдается значительное перераспределение частиц микрокремнезема по размерам в сторону их уменьшения (более чем в 14 раз) при неизменном среднем диаметре. Результаты выполненных исследований подтвердили возможность улучшения адгезии гранулированного вспененного полистирола с цементным камнем за счет модификации его поверхности силикатными пастами. Полученный результат является следствием образования на поверхности полистирольных гранул плотной оболочки толщиной от 100 до 150 мкм при химическом взаимодействии компонентов паст и портландцемента. Силикатные пасты позволяют повысить адгезионную прочность полистиролбетона в 1,5–2,2 раза, прочность на сжатие в возрасте 28 суток в 1,8–2,9 раза при увеличении средней плотности на
2,1–3 % и коэффициента теплопроводности на 2,4–4,8 %, а также снизить водопоглощение на
18–33 %.
1. Sokov V.N. Konstruirovanie kom-pleksnyh paro-, teplo- i gidroizolyacionnyh polistirolbetonov. M.: MGSU, 2015. 200 s.
2. Ibragimov A.M., Titunin A.A., Gnedi-na L.Yu., Labutin A.N. Polistirolbeton v promyshlennom i grazhdanskom stroitel'stve // Stroitel'nye materialy. 2016. № 10. S. 21-23.
3. Rahmanov V.A. Teploeffektivnye ograzhdayuschie konstrukcii zdaniy s ispol'-zovaniem polistirolbetonov, razrabotannyh institutom «VNIIZhELEZOBETON» // Pro-myshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2017. № 2. S. 9-18.
4. Zhurba O.V., Schukina E.G., Arhincheeva N.V., Zayahanov M.E., Schukin E.A. Konstruk-cionno-teploizolyacionnyy polistirolbeton na osnove regenerirovannogo syr'ya // Stroi-tel'nye materialy. 2007. № 3. S. 50-54.
5. Cydypova A.C., Urhanova L.A. Kon-strukcionno-teploizolyacionnyy polisti-rolbeton s adgezionnymi dobavkami / Nauko-emkie tehnologii i innovacii: sb. trudov Yubileynoy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 60-letiyu BGTU im. V.G. Shuho-va (XXI nauchnye chteniya) // Belgor. gos. teh-nol. un-t im. V.G. Shuhova (Belgorod 9-10 okt. 2014 g.), Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shu-hova, 2014. S. 410-417.
6. Uglyanitsa A.V., Mashkin N.A., Berdov G.I., Duvarov V.B. Fine-dispersed mineral ad-mixture-modified polystyrene concrete // Inter-national Journal of Applied Engineering Re-search. 2015. T. 10. № 15. S. 35428-35430.
7. Herki B.A., Khatib J.M., Negim E.M. Lightweight Concrete Made from Waste Polysty-rene and Fly Ash // World Applied Sciences Journal. 2013. № 21 (9). S. 1356-1360.
8. Lukutcova N.P. Nanomodificirovan-nye kompozicionnye stroitel'nye materia-ly / Problemy innovacionnogo biosferno-sovmestimogo social'no-ekonomicheskogo razvitiya v stroitel'nom, zhilischno-kommunal'nom i dorozhnom kompleksah: ma-ter. 4-y Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., po-svyaschennoy 55-letiyu stroitel'nogo fakul'-teta i 85-letiyu BGITU // Bryan. gos. inzhen.-tehnol. un-t (Bryansk 1-2 dek. 2015 g.), Bryansk: Izd-vo BGITU, 2015. S. 94-100.
9. Lukutcova N.P., Golovin S.N. Nekoto-rye aspekty polucheniya nanomodificirovan-nyh kompozicionnyh stroitel'nyh materia-lov i perspektivy ih razvitiya / Intellektu-al'nye stroitel'nye kompozity dlya zelenogo stroitel'stva: mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 70-letiyu zasluzhennogo deyatelya nauki RF, chlena-korrespondenta RA-ASN, doktora tehnicheskih nauk, professora Valeriya Stanislavovicha Lesovika // Belgor. gos. tehnol. un-t im. V.G. Shuhova (Belgorod 15-16 mar. 2016 g.), Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2016. S. 195-201.
10. Orlova A.M., Grigor'eva L.S., Logu-nin A.Yu., Belov N.R. Osobennosti struktury steklopolistirolbetona na zhidkostekol'nom vyazhuschem // Nauchnoe obozrenie. 2015. № 18. S. 121-125.
11. Petrov A.N., Akulova M.V., Koroste-lev A.P. Metodika prigotovleniya polisti-rolbetonnoy smesi s zhidkim steklom // In-formacionnaya sreda vuza. 2016. № 2. S. 71-74.
12. Gonchikova E.V., Dorzhieva E.V. Modi-ficirovannyy polistirolbeton s ispol'zo-vaniem kompleksnogo kolloidnogo modifi-katora / Sbornik nauchnyh trudov. Seriya: Me-hanika konstrukciy i materialov (Kompozi-cionnye materialy i nanomaterialy): sb. trudov ezhegodnoy nauch.-prakt. konf. prepo-davateley VSGUTU // Vost.-Sib. gos. un-t tehnologiy i upravleniya (Ulan-Ude 18-22 apr. 2016 g.), Ulan-Ude: Izd-vo VSGUTU, 2016. S. 172-178.
13. Rivonenko Ya.A., Soboleva G.N. Razra-botka i issledovanie nanomodificirovanno-go polistirolbetona / Stroitel'stvo-2016: mater. II Bryanskogo Mezhdunar. innovacion-nogo foruma // Bryan. gos. inzhen.-tehnol. un-t (Bryansk 1 dek. 2016 g.), Bryansk: Izd-vo BGI-TU, 2016. S. 135-139.
14. Nikolaenko A.V., Gornostaeva E.Yu., Rivonenko Ya.A. Razrabotka vysokoeffektiv-nogo polistirolbetona modificirovannogo kompleksnoy nanodispersnoy dobavkoy / In-tellektual'nye stroitel'nye kompozity dlya zelenogo stroitel'stva: mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyaschennoy 70-letiyu zasluzhennogo deyatelya nauki RF, chlena-korrespondenta RAASN, doktora tehniche-skih nauk, professora Valeriya Stanislavo-vicha Lesovika // Belgor. gos. tehnol. un-t im. V.G. Shuhova (Belgorod 15-16 mar. 2016 g.), Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2016. S. 301-311.
15. Rahmanov V.A., Melihov V.A., Kapaev G.I., Kozlovskiy A.I. Innovacionnaya spectehnologiya polucheniya polistirolbetona novogo pokoleniya // Promyshlennoe i grazh-danskoe stroitel'stvo. 2017. № 2. S. 29-31.
16. GOST R 56178-2014. Modifikatory organo-mineral'nye tipa MB dlya betonov, stroitel'nyh rastvorov i suhih smesey. Tehnicheskie usloviya. M.: Standartinform, 2015. 23 s.
17. GOST 18992-80. Dispersiya polivi-nilacetatnaya gomopolimernaya grubodispers-naya. Tehnicheskie usloviya. M.: Standartin-form, 2001. 21 s.
18. TU 2481-007-71150986-2006. Poli-etilenglikoli nizkomolekulyarnye. Nizhniy Novgorod: OOO «NORKEM», 2006. 5 s.
19. GOST 13078-81. Steklo natrievoe zhidkoe. Tehnicheskie usloviya. M.: Standar-tinform, 2005. 15 s.
20. Aleksandrova M.N., Pykin A.A. Dis-persno-armirovannyy polistirolbeton, mo-dificirovannyy silikatnoy pastoy / Stroi-tel'stvo-2016: mater. II Bryanskogo Mezhdu-nar. innovacionnogo foruma // Bryan. gos. in-zhen.-tehnol. un-t (Bryansk 1 dek. 2016 g.), Bryansk: Izd-vo BGITU, 2016. S. 7-11.
