ВЛИЯНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНОГО КАРБОНАТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ПОЛУГИДРАТА СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты влияния тонкодисперсного карбонатного минерального наполнителя на процесс кристаллизации дигидрата сульфата кальция и на физико-механические свойства композиционных гипсовых вяжущих веществ. Установлено, что введение в состав полугидрата сульфата кальция тонкодисперсного карбонатного микронаполнителя изменяет реологические и структурно-механические свойства композиционной системы, улучшаются прочностные характеристики, за счет образования крупно кристаллической структуры дигидрата сульфата кальция в процессе затвердения композиционных гипсовых вяжущих компонентов. Введение тонкодисперсного микрокальцита до 30 %, в состав вяжущего компонента, содержащего высокодисперсные частицы микрокальцита заполняет пустоты между более грубыми зернами и образует плотно упакованную кристаллами дигидрата сульфата кальция решетку в процессе структурообразования, что приводит к повышению водостойкости строительных изделий.   

ABSTRACT

This study examines the effect of fine-grained carbonate mineral filler on the crystallization process of calcium sulfate dihydrate and the physical and mechanical properties of gypsum-based composite binders. The results show that the addition of carbonate micro-filler to calcium sulfate hemihydrate alters the rheological and structural-mechanical properties of the system. The formation of a coarse-crystalline structure of calcium sulfate dihydrate during the hardening process of composite gypsum binders improves the strength characteristics. It was found that introducing up to 30% fine-grained microcalcite into the binder composition allows the high-dispersion microcalcite particles to fill the voids between coarser grains. This creates a densely packed structure of calcium sulfate dihydrate crystals during the structure formation process, resulting in increased water resistance of construction materials.

Ключевые слова: гипсовые вяжущие, микронаполнитель, микрокальцит, сроки схватывания, физико-механические характеристики, процесс гидратации, водостойкость, структурообразование, процесс кристаллизации и твердение, прочность.

Keywords: gypsum binders, micro filler, microcalcite, setting time, physical and mechanical characteristics, hydration process, water resistance, structure formation, crystallization and hardening process, strength.

Введение. Изделия и материалы на основе гипсовых вяжущих веществ широко применяются в производстве строительных изделий и для производства гипсовых отделочных смесей. Причиной ограниченного использования гипсового вяжущего компонента и материалов на его основе является их низкая водостойкость, которая сопровождается такими отрицательными явлениями, как увеличение ползучести и значительное снижение прочности изделий при их увлажнении.

В настоящее время существует много различных способов улучшение физико-механических свойств и повышения водостойкости материалов на основе гипсовых вяжущих веществ. Они базируются на применении активных минеральных добавок и уменьшении растворимости полугидрата сульфата кальция, уплотнении гипсовой массы при изготовлении изделий, пропитке веществами, которые препятствуют прониканию влаги в изделие, применении наружной защитной обмазки [4].

Однако, несмотря на высокие потребительские свойства, современных составов на основе гипсового вяжущего вещества, практики ограничиваются штукатурками и шпаклевками для помещений с нормальным режимом эксплуатации. В основном это связано с тем, что полугидрат сульфата кальция имеет низкую водостойкость и невысокие прочностные характеристики. Как правило, коэффициент размягчения отделочных смесей и гипсовых изделий не превышает 0,5, а прочность при сжатии 4-6 МРа [4; 9].

Известно, что низкий коэффициент размягчения композиционных строительных материалов на основе гипсовых вяжущих компонентов определяется прежде всего достаточно хорошей растворимостью CaSO₄•2H₂O в воде, а также значительной пористостью затвердевших растворов и строительных изделий на их основе. Исходя из этого, основными направлениями повышения водостойкости данных составов является снижение пористости материала с одновременным закрытием пор для предотвращения доступа воды внутрь материала.

Строительная практика последних десятилетий привела к появлению современно новых строительных материалов на основе композиционных гипсовых вяжущих веществ, превосходящих по своим строительно-техническими и эксплуатационным характеристикам традиционные материалы. Появление таких материалов обеспечивается не только использованием более сложных многокомпонентных композиционных гипсовых вяжущих компонентов, но и активным воздействием на структурообразование и свойства материала на различных этапах применения в соответствии с назначением и областью использования материала.

Объект и методы исследования. При проведении лабораторных исследований в качестве вяжущего соединения был использован полугидрат сульфата кальция β-модификации марки Г-6, полученный методом дегидратации во вращающей печи природного гипсового камня Мамажурганского месторождения (Бухарский область), отвечающий требованиям ГОСТ 125-2018 «Вяжущие гипсовые. Технические условия». Качество вяжущего определялось в соответствии с ГОСТ 23789-2018 «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний» [3]. Водопотребность растворной смеси определяли с помощью вискозиметра Суттарда. Сроки схватывания определяли на приборе «Вика». Прочность на изгиб находили на машине МИИ-100, а прочность на сжатие определяли на гидравлическом прессе.

Для повышения физико-механических свойств вяжущего компонента и для улучшения пластических свойств и снижения объемных деформаций при затвердевании растворной смеси гипсовых вяжущих составляющих в качестве минеральной добавки применяли тонкодисперсный карбонатный наполнитель – микрокальцит, Карбонатный микронаполнитель получен методом помола и сепарации мраморной крошки.

Микрокальцит получен методом дробления и тонкого измельчения, а также сепарации отходов мраморной крошки. Микрокальцит имел размер зерен от 0,2 до 10 мкм. Средний размер частиц (d = 50 %), 2-3 мкм. Насыпная масса, не более, г/см³ -1,10. Основным породообразующим минералом являются кальцит, содержание которого составляет около 97 % и MgCO₃ – 1,2 %. Химический состав микрокальцита приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав микрокальцита

Микрокальцит имеет светло-коричневые, бежевые тона окраски, иногда с бледными желтыми пятнами. Основным породообразующим минералом является кальцит, содержание которого составляет около 97 %.

Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования по определению минералогического состава и физико-механическим характеристикам показали, что гипсовый вяжущий компонент состоит в основном из β – CaSO₄·0,5H₂O и небольшого количество α-CaSO₄·0,5H₂O, CaSO₄.

Фазовый состав гипсового вяжущего соединения β-модификации изучали с применением рентгенофазового анализа [2; 5]. Результаты исследования показали, что гипсовый вяжущий компонент состоит в основном из полугидрата сульфата кальция β- модификация (d/n =0,590; 0,343; 0,3297; 0,278; 0,166 нм) и небольшого количество ангидрита (d/n =0,22;0,213 нм) и дигидрата сульфата кальция.

Результаты физико-механических исследований показали, что полугидрат сульфата кальция имеет марку Г-6 АII и коэффициент водостойкости равный 0,49 [2; 3].

Для получения гипсо-карбонатного вяжущего вещества готовили смеси состоящие из полгидрата сульфата кальция и микрокальцита. Смеси готовились методом перемешивания исходных материалов в лабораторном шаровой мельнице. Состав смеси для получения гипсо-карбонатного вяжущего компонента приведен в таблице 2.

Исследование реологических свойств, разработанных для гипсо-карбонатной композиции показали, что водопотребность растворной смеси увеличивается, за счет наличия в составе высоко дисперсионного микрокальцита, требующего для смачивания своих частиц больше воды, чем исходный портландцемент. С повышением количества микрокальцита водопотребность композиции увеличивается с 61,0 до 67,0 %. При этом процесс структурообразования дигидрата сульфата кальция замедлялся.

Таблица 2.

Состав смеси для получения гипсо-карбонатной композиции

Лабораторные исследования по изучению физико-механических свойств композиционного гипсового вяжущего вещества показали, что тонкодисперсный карбонатный наполнитель в количестве 5–15 % выполняет роль пластификатора. При более высокой степени наполнения водопотребность вяжущего соединения повышается незначительно, а прочностные показатели гипсо-карбонатной композиции улучшаются на 15–17 %. Результаты влияния микрокальцита на физико-механические свойства композиционного гипсового вяжущего вещества приведены в таблице 3. Повышение прочностных показателей объясняется тем, что высокодисперсные частицы микрокальцита заполняют пустоты между более грубыми зернами в процессе формирования структуры дигидрата сульфата кальция.

Следует отметить, что при введении тонкодисперсных частиц микрокальцита до 30 % в композицию резко повышается водостойкость строительных изделий на основе композиционных гипсовых вяжущих компонентов. Это происходит, по мнению авторов статьи, в результате раздвижки зерен плотно упакованных кристаллов дигидрата сульфата кальция в процесс структурообразования [1; 3].

Таблица 3.

 Влияние микрокальцита на физико-механические свойства композиционного гипсового вяжущего вещества

В ходе проведения экспериментальных исследований установлено, что при введении в состав гипсовых смесей тонкодисперсного микронаполнителя происходит адсорбирование тонкодисперсных частиц на поверхности вяжущего компонента и соединение их с кристаллами дигидрата сульфата кальция. Кроме того эти тонкодисперсные добавки обеспечивают повышение содержания пластичного теста, заполнение пустот в растворной смеси между кристаллической структурой дигидрата сульфата кальция. При этом растворная смесь переходит в текучее состояние. Полученные результаты показали, что композиционные гипсовые растворные смеси обладают высокой удобоносимостью и при высыхании не растрескиваются и не усаживаются [6; 7].

На основании проведенных физико-химических исследований установлено, что применение соли лимонной кислоты в количестве 0,03–0,05 % от веса вяжущего компонента положительно влияет на сроки схватывания разработанных композиционных гипсовых вяжущих веществ.

Проведены исследования по изучению физико-химических свойств тонкодисперсного карбонатного наполнителя образующегося в процессе дробления известняка Форишкого месторождения Джизакской области. Результаты исследования показали, что тонкодисперсный карбонатный наполнитель состоит из 95,0–96,0 % СаСО₃ и не количество оксида кремния (до 2,0 %) и глинистой пароды. Авторами статьи описано использование тонкодисперсного карбонатного наполнителя в качестве сырья для производства отделочных смесей. Проведенные исследования показали, что этот материал имеет ряд преимущественных показателей перед другими наполнителями, а именно: явно выраженная кристаллическая структура карбоната кальция; высокое содержание карбоната кальция СаСО₃ (более 95,0 %); повышенная прочность зёрен; почти не поглощает воду. Проведенные опыты показали, что тонкодисперсные минеральные наполнители значительно изменяют реологические и структурно-механические свойства растворных смесей.

Заключение. На основании проведенных лабораторных исследований установлено, что применение тонко дисперсного карбонатного наполнителя в производстве сухих отделочных смесей способствует уплотнению растворных смесей в процессе затвердения композиционных гипсовых вяжущих веществ, что приводит к наполнению отделочных смесей тонкодисперсным карбонатным наполнителем обеспечивая гораздо лучшее просыхание по всей толщине после нанесения на поверхность. Кроме того обмазочная растворная смесь характеризуется безусадочностью.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что применение тонкодисперсного карбонатного микронаполнителя в составе гипсовых отделочных смесей улучшает физико-механические и технологические свойства растворных смесей.

Список литературы:

1. Ветегрове Х. Улучшение качества гипсового вяжущего на основе технологии «Smart Gyp Process» компании «Claudius Peters» // Строительные материалы. – 2012. – С. 1–4.
2. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ: учеб. пособие. – М.: Высшей школа, 1981. – 335 с.
3. ГОСТ 125-2018 Вяжущие гипсовые.Технические условия. С.1=10.
4. Игленкова М.Г. Применение карбоната кальция для нейтрализации фосфогипса с целью снижения класса опасности // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии. – Саратов, 2010. – С. 338–339.
5. Рентгенофазовый анализ. Методические указания. – Томск. ТПУ, 2007. – 40 с.
6. Сучков В.П. Гипсовые строительные материалы и изделия, полученные механохимической активацией техногенного сырья: автореф. … д-р техн. наук. – Санкт-Петербург, 2009. – 42 с.
7. Талипов Н.Х., Жонузоков А.А. Водостойкие строительные материалы на основе модифицированных фосфогипсоых вяжущих // Композиционные материалы. – Ташкент. – 2016. – №1. – С. 50–52.
8. Терсин В.А., Трошин М.А. Гипс, его исследование и применение // Мир серы, N, Р, К. – 2005. – № 6. – С. 10–13.
9. Talipow N.H., Tulaganow A.A., Nigmatow S.S. Mechanismus der Bildung des α-CaSO₄^.0,5H₂O im Prozess der hydrothermalen Bearbeitung des Kalziumsulfat-Doppelhydrats // Weimar Bundesrepublik Deutschland, 20-Internatijnale Baustofftagung Weimar. – 12-14 September 2018. – S.2-585-2-589.