Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
The results of the investigation of the effect of fine microcrystalline cellulose (MCC) on consistency, setting time, strength, average density, water resistance and structure of gypsum are presented. It has been experimentally established that the MCC leads to a reduction in the water demand (by 1.2 times) of the construction gypsum while maintaining the standard consistency, reducing the timing of the setting of the gypsum dough, and also increasing the strength (for bending by 1.8 times, for compressing by 1.5 times) and softening factor (1.2 times) of gypsum stone. The results obtained are a consequence of the acceleration of the process of hydration of the building gypsum due to the water-retaining capacity of the MCC, and also the compaction of the space between the crystalline hydrates of the two-water gypsum
building gypsum, microcrystalline cellulose, consistency, setting time, strength, water resistance, structure
Введение. Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с необходимостью разработки новых ресурсо- и энергосберегающих способов повышения прочности и водостойкости гипсовых вяжущих и материалов на их основе, которые при относительно низкой стоимости обладают экологичностью и пожаробезопасностью.
Одним из высокоэффективных способов регулирования прочности и водостойкости гипсовых вяжущих является введение различных видов минеральных и органических добавок, способствующих образованию труднорастворимых соединений, покрывающих кристаллы двуводного гипса и формирующих плотную, прочную и менее водопроницаемую гипсовую матрицу [1–3].
Обзор известных литературных источников показал, что для повышения прочности и водостойкости гипсовых материалов широко используются тонкодисперсные минеральные добавки природного (диатомит, опока, трепел, пуццолана, цеолит, шунгит и др.) [4–6] и искусственного (портландцемент, известь, метакаолин, микрокремнезем, керамзитовая и металлургическая пыль, отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и др.) происхождения как отдельно, так и в комплексе с органическими модификаторами (гипер- и суперпластификаторы, гидрофобизаторы, углеродные нанотрубки, эфиры целлюлозы и др.) [7–12].
В настоящее время среди органических добавок-регуляторов свойств различных строительных материалов, в том числе на основе гипсовых вяжущих, большой научно-практический интерес представляют структурные модификации целлюлозы (линейного природного полимера-полисахарида с общей формулой (С6Н10О5)n или [С6Н7О2(ОН)3]n), в частности микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) [13–16].
МКЦ – это продукт химической деструкции фибриллярной структуры частиц исходной целлюлозы (чаще всего хлопковой и древесной), который образуется в результате разрушения отдельных элементов целлюлозных волокон (аморфных прослоек), играющих роль связок между фибриллами.
Микрокристаллическая целлюлоза представляет собой белое сыпучее порошкообразное вещество с удельной поверхностью в сухом состоянии 3,5–4,5 м2/г, состоящее из частиц в виде агрегатов иглоподобных микрокристаллитов целлюлозы, деструктированной до предельной степени полимеризации, величина которой для хлопковой МКЦ составляет 200–300, для древесной МКЦ – 120–280 [13–16].
Характерной особенностью МКЦ, имеющей высокоразвитую гидрофильную поверхность с большим числом активных гидроксильных групп, является ее способность при взаимодействии с водой набухать, диспергироваться и образовывать относительно устойчивые тиксотропные гидрогели, обладающие водоудерживающими свойствами.
Высокая химическая чистота и физиологическая инертность в сочетании с другими ценными качествами (химическая стойкость, нерастворимость в воде и органических растворителях, отсутствие запаха и цвета) определяют широкое применение МКЦ в качестве наполнителя, стабилизатора и эмульгатора в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности [13–16].
В строительной отрасли МКЦ используют, в основном, в качестве наполнителя в производстве пластических масс, керамических огнеупоров и фарфора, стабилизатора водных красок и различных эмульсий. При этом существует необходимость в изучении влияния МКЦ, как водоудерживающей добавки, на свойства строительных материалов, в том числе гипсовых.
Целью работы является исследование влияния МКЦ на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и структуру строительного гипса.
Методика. При проведении исследования использовались следующие материалы:
- нормальнотвердеющий строительный гипс марки по прочности Г-2 (ЗАО «Самарский гипсовый комбинат», г. Самара);
- пищевая хлопковая МКЦ в виде сухого вещества с удельной поверхностью частиц 3,5 м2/г, степенью полимеризации 250 (ЗАО «Эвалар», г. Бийск).
Консистенция гипсового теста (ГТ) определялась по диаметру расплыва ГТ на вискозиметре Суттарда; сроки схватывания – по глубине погружения иглы прибора Вика в ГТ стандартной консистенции; прочность – по пределу прочности при сжатии половинок образцов-балочек размерами 4×4×16 см, изготавливаемых из ГТ стандартной консистенции и испытываемых через 2 ч после контакта гипса с водой; средняя плотность и водостойкость – по отношению массы к объему и по коэффициенту размягчения половинок балочек, предварительно высушенных до постоянной массы при температуре 50 °С.
Пробы гипсового теста с микрокристаллической целлюлозой приготавливались в следующей последовательности: добавление в воду микродоз МКЦ (в количестве от 1,7×10-4 до 18,7×10-4 % от массы вяжущего), первичное перемешивание, засыпка гипса, вторичное перемешивание.
Количество воды, необходимое для получения контрольных проб ГТ стандартной консистенции, составляло 63 %, а модифици-
рованных – 54 %.
Анализ влияния МКЦ на структуру строительного гипса проводился методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) сколов образцов гипсового камня (ГК) с помощью микроскопа SUPRA 25-30-34.
Основная часть. Результаты испытаний показали, что консистенция гипсового теста при введении МКЦ изменяется экстремально (рис. 1).
При повышении количества МКЦ от 1,7×10-4 до 11×10-4 % диаметр расплыва ГТ увеличивается от 156 до 180 мм, то есть на 15 %.
Последующее повышение количества МКЦ от 11×10-4 до 18,7×10-4 % приводит к уменьшению диаметра расплыва ГТ на 19 % (от 180 до 146 мм).
Рис. 1. Зависимость консистенции гипсового теста от количества МКЦ
Изменение прочности на сжатие гипсового камня с добавкой МКЦ также носит экстремальный характер (рис. 2).
Минимумы предела прочности при сжатии (1,7 и 3,8 МПа) наблюдаются при количествах МКЦ, равных 7×10-4 и 17×10-4 %, а максимумы (1,9 и 4,3 МПа) – при 4,5×10-4 и 13×10-4 % соответственно.
Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие гипсового камня от количества МКЦ
Оптимальным количеством МКЦ, с точки зрения получения гипсового теста стандартной консистенции (диаметр расплыва составляет 178 мм) и максимального повышения прочности на сжатие гипсового камня (предел прочности при сжатии равен 4,1 МПа), является 12×10-4 % от массы гипса.
Анализ влияния МКЦ на свойства строительного гипса показал, что его водопотребность снижается в 1,2 раза (от 63 до 54 %) при сохранении стандартной консистенции гипсового теста.
При этом сроки схватывания ГТ сокращаются: начало от 14 до 10 мин, конец от 16 до 13 мин. Средняя плотность гипсового камня увеличивается от 1343 до 1374 кг/м3. Предел прочности при изгибе ГК повышается в 1,8 раза (от 1,5 до 2,7 МПа), при сжатии – в 1,5 раза (от 2,8 до 4,1 МПа), а коэффициент размягчения возрастает в 1,2 раза (от 0,59 до 0,71) (табл. 1).
Таблица 1
Свойства строительного гипса
|
Состав |
Гипсовое тесто |
Гипсовый камень |
|||||
|
Диаметр расплыва, мм |
Сроки схватывания, мин |
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 |
Предел прочности через 2 ч, МПа |
Коэффициент размягчения |
|||
|
начало |
конец |
при изгибе |
при сжатии |
||||
|
без МКЦ, В/Г = 0,63 |
178 |
14 |
16 |
1343 |
1,5 |
2,8 |
0,59 |
|
с 12×10-4 % МКЦ, В/Г = 0,54 |
178 |
10 |
13 |
1374 |
2,7 |
4,1 |
0,71 |
Кроме того, МКЦ положительно влияет на изменение прочности гипсового камня в зависимости от времени хранения (рис. 3).
Так, предел прочности при сжатии ГК через 1 сутки повышается от 5,2 до 6,7 МПа (на 29 %), через 3 суток – от 10,9 до 14,3 МПа (на 31 %), через 7 суток – от 12,7 до 17,5 МПа (на 38 %), через 28 суток – от 17,1 до 19,6 МПа (на 15 %).
Результаты РЭМ показали, что структура ГК контрольного состава представлена удлиненными пластинчатыми кристаллами двугидрата сульфата кальция, которые имеют между собой точечные связи (рис. 4, а).
Кроме того, кристаллы двугидрата сульфата кальция в контрольных образцах ГК характеризуются наличием межконтактных полостей, в которые, по данным В.Ф. Коровякова [17], может проникать вода, ослабляя связи, что приводит к значительному снижению прочности и водостойкости строительного гипса.
В то же время, МКЦ способствует уплотнению пространства между кристаллогидратами двуводного гипса (рис. 4, б).
Рис. 3. Изменение прочности на сжатие гипсового камня в зависимости от времени хранения
а)
б)
Рис. 4. Структура гипсового камня: а – без МКЦ; б – с МКЦ
Выводы. На основании выполненных исследований выявлен характер влияния тонкодисперсной микрокристаллической хлопковой целлюлозы на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и структуру строительного гипса, а также определена оптимальная дозировка добавки (12×10-4 % от массы гипса). Установлено, что микрокристаллическая целлюлоза позволяет снизить водопотребность строительного гипса в 1,2 раза, сократить сроки схватывания гипсового теста, повысить прочность (на изгиб в 1,8 раза, на сжатие в 1,5 раза) и коэффициент размягчения (в 1,2 раза) гипсового камня. Улучшение свойств строительного гипса с микрокристаллической целлюлозой обусловлено ускорением процесса гидратации полуводного гипса за счет водоудерживающей способности добавки, а также уплотнением пространства между кристаллогидратами двуводного гипса.
1. Gordina A.F., Yakovlev G.I., Polyan-skih I.S., Kerene Ya, Fisher H.-B., Rahimova N.R., Bur'yanov A.F. Gipsovye kompozicii s kompleksnymi modifikatorami struktury // Stroitel'nye materialy. 2016. № 1-2. S. 90-95.
2. Tokarev Yu.V., Ginchickiy E.O., Gin-chickaya Yu.N., Gordina A.F., Yakovlev G.I. Vliyanie kompleksa dobavok na svoystva i strukturu gipsovogo vyazhuschego // Stroitel'-nye materialy. 2016. № 1-2. S. 84-89.
3. Potapova E.N., Isaeva I.V. Vliyanie dobavok na vodostoykost' gipsovogo vyazhusche-go // Suhie stroitel'nye smesi. 2012. № 5. S. 38-41.
4. Lukutcova N.P., Pykin A.A. Teoreti-cheskie i tehnologicheskie aspekty polucheniya mikro- i nanodispersnyh dobavok na osnove shungitosoderzhaschih porod dlya betona. Mo-nografiya. Bryansk: BGITA, 2014. 216 s.
5. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of nanodisperse additives based on metakaolin // Glass and Ceramics. 2015. № 11-12. S. 383-386.
6. Lukuttsova N., Pykin A., Kleymenicheva Y., Suglobov A., Efremochkin R. Nano-additives for composite building materials and their envi-ronmental safety // International Journal of Ap-plied Engineering Research. 2016. T. 11. № 11. S. 7561-7565.
7. Filippova K.E., Kulakovskiy V.A., Lu-kina Yu.Yu. Vliyanie ceolitsoderzhaschey do-bavki na sroki shvatyvaniya i vodostoykost' gipsovyh vyazhuschih veschestv // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. №8. S. 38-41.
8. Haliullin M.I., Rahimov R.Z., Gay-fullin A.R. Sostav i struktura kamnya kompo-zicionnogo gipsovogo vyazhuschego s dobavkami izvesti i molotoy keramzitovoy pyli // Vestnik MGSU. 2013. № 12. S. 109-117.
9. Segodnik D.N., Potapova E.N. Gipso-cementno-puccolanovoe vyazhuschee s aktivnoy mineral'noy dobavkoy metakaolin // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. 2014. № 8 (157). S. 77-79.
10. Izryadnova O.V., Yakovlev G.I., Polyan-skih I.S., Fisher H.-B., Sen'kov S.A. Izme-nenie morfologii kristallogidratov pri vvedenii ul'tra- i nanodispersnyh modifi-katorov struktury v gipsocementno-puccolanovye vyazhuschie // Stroitel'nye ma-terialy. 2014. № 7. S. 25-27.
11. Chernysheva N.V. Ispol'zovanie teh-nogennogo syr'ya dlya povysheniya vodostoyko-sti kompozicionnogo gipsovogo vyazhuschego // Stroitel'nye materialy. 2014. № 7. S. 53-56.
12. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Dre-bezgova M.Yu. Vodostoykie gipsovye kompo-zicionnye materialy s primeneniem tehno-gennogo syr'ya. Belgorod: BGTU im. V.G. Shu-hova, 2015. 320 s.
13. Autlov S.A., Bazarnova N.G., Kushnir E.Yu. Mikrokristallicheskaya cellyuloza: struktura, svoystva i oblasti primeneniya (obzor) // Himiya rastitel'nogo syr'ya. 2013. № 3. S. 33-41.
14. Aleshina L.A., Gurtova V.A., Meleh N.V. Struktura i fiziko-himicheskie svoy-stva cellyuloz i nanokompozitov na ih osno-ve. Monografiya. Petrozavodsk: PetrGU, 2014. 240 s.
15. Heinze T. Cellulose: structure and prop-erties // Advances in polymer science. 2015. T. 271. S. 1-52.
16. Zhao Y., Moser C., Lindström M.E., Henriksson G., Li J. Cellulose nanofibers from softwood, hardwood, and tunicate: preparation-structure-film performance interrelation // Acs applied materials & interfaces. 2017. T. 9. № 15. S. 13508-13519.
17. Korovyakov V.F. Modificirovanie svoystv gipsovyh vyazhuschih organomineral'-nym modifikatorom // Suhie stroitel'nye smesi. 2013. № 3. S. 15-17.
