Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
студент
Брянск, Брянская область, Россия
студент
Брянск, Брянская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Представлены результаты исследования влияния тонкодисперсной микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) на консистенцию, сроки схватывания, прочность, среднюю плотность, водостойкость и структуру строительного гипса. Экспериментально установлено, что МКЦ приводит к снижению водопотребности (в 1,2 раза) строительного гипса при со-хранении стандартной консистенции, сокращению сроков схватывания гипсового теста, а также повышению прочности (на изгиб в 1,8 раза, на сжатие в 1,5 раза) и коэффициента размягчения (в 1,2 раза) гипсового камня. Полученные результаты является следствием ускорения процесса гидратации строительного гипса за счет водоудерживающей способности МКЦ, а также уплотнения пространства между кристаллогидратами двуводного гипса.
строительный гипс, микрокристаллическая целлюлоза, консистенция, сроки схватывания, прочность, водостойкость, структура
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. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Полян-ских И.С., Керене Я, Фишер Х.-Б., Рахимова Н.Р., Бурьянов А.Ф. Гипсовые композиции с комплексными модификаторами структуры // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 90-95.
2. Токарев Ю.В., Гинчицкий Е.О., Гин-чицкая Ю.Н., Гордина А.Ф., Яковлев Г.И. Влияние комплекса добавок на свойства и структуру гипсового вяжущего // Строитель-ные материалы. 2016. № 1-2. С. 84-89.
3. Потапова Е.Н., Исаева И.В. Влияние добавок на водостойкость гипсового вяжуще-го // Сухие строительные смеси. 2012. № 5. С. 38-41.
4. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А. Теорети-ческие и технологические аспекты получения микро- и нанодисперсных добавок на основе шунгитосодержащих пород для бетона. Мо-нография. Брянск: БГИТА, 2014. 216 с.
5. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of nanodisperse additives based on metakaolin // Glass and Ceramics. 2015. № 11-12. С. 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. Т. 11. № 11. С. 7561-7565.
7. Филиппова К.Е., Кулаковский В.А., Лу-кина Ю.Ю. Влияние цеолитсодержащей до-бавки на сроки схватывания и водостойкость гипсовых вяжущих веществ // Промышленное и гражданское строительство. 2016. №8. С. 38-41.
8. Халиуллин М.И., Рахимов Р.З., Гай-фуллин А.Р. Состав и структура камня компо-зиционного гипсового вяжущего с добавками извести и молотой керамзитовой пыли // Вестник МГСУ. 2013. № 12. С. 109-117.
9. Сегодник Д.Н., Потапова Е.Н. Гипсо-цементно-пуццолановое вяжущее с активной минеральной добавкой метакаолин // Успехи в химии и химической технологии. 2014. № 8 (157). С. 77-79.
10. Изряднова О.В., Яковлев Г.И., Полян-ских И.С., Фишер Х.-Б., Сеньков С.А. Изме-нение морфологии кристаллогидратов при введении ультра- и нанодисперсных модифи-каторов структуры в гипсоцементно-пуццолановые вяжущие // Строительные ма-териалы. 2014. № 7. С. 25-27.
11. Чернышева Н.В. Использование тех-ногенного сырья для повышения водостойко-сти композиционного гипсового вяжущего // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 53-56.
12. Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Дре-безгова М.Ю. Водостойкие гипсовые компо-зиционные материалы с применением техно-генного сырья. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шу-хова, 2015. 320 с.
13. Аутлов С.А., Базарнова Н.Г., Кушнир Е.Ю. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства и области применения (обзор) // Химия растительного сырья. 2013. № 3. С. 33-41.
14. Алешина Л.А., Гуртова В.А., Мелех Н.В. Структура и физико-химические свой-ства целлюлоз и нанокомпозитов на их осно-ве. Монография. Петрозаводск: ПетрГУ, 2014. 240 с.
15. Heinze T. Cellulose: structure and prop-erties // Advances in polymer science. 2015. Т. 271. С. 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. Т. 9. № 15. С. 13508-13519.
17. Коровяков В.Ф. Модифицирование свойств гипсовых вяжущих органоминераль-ным модификатором // Сухие строительные смеси. 2013. № 3. С. 15-17.
