СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СУХИХ ШТУКАТУРНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГИДРОФОБНОГО ВЕРМИКУЛИТА

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты исследования свойств разработанных гипсо-вермикулитовых теплоизоляционных штукатурных смесей. Целью исследования явилось получение легких штукатурных смесей на основе гидрофобизированного вспученного вермикулита Тебинбулакского месторождения для теплоизоляции зданий и сооружений. В процессе исследования использованы современные методы физико-химического анализа, электронная микроскопия, стандартные исследования физико-механических свойств. Коэффициент теплопроводности разработанных легких штукатурных смесей с средней плотностью 370 – 600 кг/м³ при содержании вспученного вермикулита 23,0 – 35,0 % равняется 0,16 – 0,19 Вт/м °C. Проведенное исследование показало перспективность использования вспученного вермикулита в качестве легкого заполнителя для изготовления теплоизоляционных композиционных материалов и штукатурных составов, применяемые в строительной индустрии.

ABSTRACT

The paper presents the results of a study of the properties of developed gypsum-vermiculite thermal insulation plaster mixtures. The aim of the study was to obtain lightweight plaster mixtures based on hydrophobic expanded vermiculite from the Tebinbulak deposit for thermal insulation of buildings and structures. The research process involved the use of modern methods of physical and chemical analysis, electron microscopy, and standard studies of physical and mechanical properties. The thermal conductivity coefficient of the developed lightweight plaster mixtures with an average density of 370–600 kg/m³ and an expanded vermiculite content of 23.0–35.0 % is 0.16–0.19 W/m °C. The conducted research has shown the prospects of using expanded vermiculite as a lightweight filler for the manufacture of heat-insulating composite materials and plaster compositions used in the construction industry.

Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, гипсо-вермикулитовые штукатурные смеси, пористые заполнители, вспученный вермикулит.

Keywords: heat-insulating materials, gypsum-vermiculite plaster mixes, porous filler, expanded vermiculite.

Введение

Во всем мире ведутся научные исследования по получению новых неорганических теплоизоляционных материалов на основе минеральных связующих, пористых структурных заполнителей и микронаполнителей. В связи с этим особое внимание уделяется разработке новых составов с улучшенными эксплуатационными свойствами за счет использования заполнителей и модифицирующих добавок, совершенствованию существующих технологий и разработке технологии теплоизоляционных материалов [5; 6].

Разработка новых эффективных теплоизоляционных материалов возможна с применением гидрофобизированного полидисперсного заполнителя с использованием вспученного вермикулита и отходов его производства на различных связующих, определяющих их свойства и области применения.

Целью исследования явилось получение легких штукатурных смесей на основе гидрофобизированного вспученного вермикулита Тебинбулакского месторождения для теплоизоляции зданий и сооружений.

Материалы и методы исследования

В процессе исследования использованы современные методы физико-химического анализа, электронная микроскопия, стандартные исследования физико-механических свойств.

На первом этапе разработан состав порошкового гидрофобизатора для гидрофобизации вспученного вермикулита Тебинбулакского месторождения. На втором этапе получены гипсо-вермикулитовые теплоизоляционные смеси с применением вспученного и гидрофобизированного вермикулита [1, с. 62–64].

Результаты и обсуждения

Проведенные исследования показали, что введение в гипсовые системы пористых заполнителей обеспечивает создание необходимых условий для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей. Вышеуказанные полидисперсные заполнители позволяют заменить часть вяжущего вещества, сохраняя при этом достаточно высокие показатели свойств минеральных смесей. На свойства строительных растворов заметное влияние оказывает качество пористого заполнителя: гранулометрический состав, сцепление между заполнителем и вяжущим, прочность и плотность затвердевшего раствора. Таким образом, многокомпонентное смешанное вяжущее средней активности может применяться для разработки составов легких штукатурных смесей.

Большое влияние на прочность легких штукатурных смесей оказывает способность пористых заполнителей в процессе приготовления и укладки смеси поглощать воду, а затем постепенно отдавать ее в твердеющие растворные смеси. Данное свойство пористых заполнителей создает благоприятные условия для твердения растворной смеси, что, в конечном счете, обеспечивает лучшее сцепление с зернами заполнителя и приводит к повышению прочностных характеристик. Качество легких строительных растворов определяется средней плотностью, теплопроводностью и прочностью на сжатие.

Основным свойством легких штукатурных смесей является теплопроводность. Благодаря своей слоистой структуре вспученный вермикулит обладает сильным теплоизолирующим эффектом. Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности легких штукатурных смесей. Теплопроводность материалов изучали по методике [4, с. 1–22; 5, с. 1–40]. На основании проведенных исследований установлено, что особое влияние на данный показатель оказывает плотность и влажность материала. Изменение коэффициента теплопроводности растворных смесей в зависимости от плотности приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Изменение коэффициента теплопроводности растворных смесей в зависимости от плотности

Анализы полученных результатов показали, что в зависимости от количества легкого заполнителя и модифицирующих химических добавок можно регулировать теплотехнические и физико-механические свойства раствора. Коэффициент теплопроводности разработанных легких штукатурных смесей со средней плотностью 370 – 600 кг/м³ при содержании вспученного вермикулита 23,0 – 35,0 % равняется 0,16 – 0,19 Вт/м °C.

Результаты определения коэффициента теплопроводности растворных смесей на основе легких теплоизоляционных штукатурных смесей показали, что с повышением плотности образцов повышается теплопроводность. Применение фракции 0,1 – 5,0 мм, которые содержат 40 – 45 % фракции более 3,0 мм в легких штукатурных составах, способствуют снижению теплопроводности.

Анализируя результаты испытаний, следует отметить, что применение гидрофобизированного вспученного вермикулита в сухих теплоизоляционных строительных смесях позволяет получить высокие теплосберегающие характеристики, которые остаются неизменными на протяжении длительного срока службы штукатурных покрытий.

Исследование физико-механических свойств разработанных составов показало, что прочностные показатели штукатурных растворов с вермикулитом отличаются более высокими значениями, чем с использованием других легких заполнителей (песок перлитовый вспученный, пенополистирол, керамзит и т.д). Это связано со слоистой структурой и более высокой упругостью частиц вспученного вермикулита, состоящих из множества гибких слюдяных слоев. Способность вспученного вермикулита упруго пластически деформироваться даже при незначительных нагрузках, обеспечивает релаксацию напряжений на границе между легким штукатурным раствором и отделываемой поверхностью в отличие от традиционных типов строительных растворов, склонных в условиях нагрузок к растрескиванию и отслаиванию.

Анализируя физико-механические исследования установлено, что теплоизоляционные смеси на основе гидрофобизированного вспученного вермикулита водостойки, имеют низкий объемный вес, не выделяют вредных веществ при эксплуатации. Проведенное исследование по изучению сцепления раствора с вертикальной поверхностью показало, что прочность сцепления с кирпичной поверхностью и цементных бетонов составляло 0,33 МПа. Физико-механические характеристики разработанных теплоизоляционных легких штукатурных составов на основе гидрофобного вспученного вермикулита приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Физико-механические характеристики разработанных теплоизоляционных легких штукатурных составов на основе гидрофобного вспученного вермикулита

Из данных таблицы видно, что разработанные составы теплоизоляционных штукатурных смесей и растворов отвечают требованиям ГОСТа [4, с. 1–6].

Наиболее важной наряду с прочностью характеристикой теплоизоляционных материалов является плотность. Установлено, что теплопроводность легких теплоизоляционных смесей зависит в основном от плотности и влажности.

Проведенные сравнительные теплофизические исследования показали, что по сравнению с обычными (песчаными) строительными растворами гипсо-вермикулитовые растворы вследствие высокой пористости имеют в 2 – 3 раза меньший объемный вес и в 4 – 6 раз меньший коэффициент теплопроводности, и относятся к группе легких (“теплых”) растворов. Известно, что слой из “теплой” гипсо-вермикулитовой штукатурки толщиной 2,5 см может заменить слой из раствора, применяемых в настоящее время в 10–15 см по теплопроводности. При толщине гипсо-вермикулитового штукатурного слоя до 3 см толщина кирпичной стены может быть уменьшена на 25 %.

На основании проведенных исследований установлено, что теплоизоляционные растворные смеси, полученные с применением средних фракций вермикулита обладают высокой пластичностью, удобной укладываемостью и затираемостью. Гипсо-вермикулитовые теплоизоляционные штукатурные смеси при высыхании не растрескиваются и не усаживаются. Результаты отштукатуренных поверхностей показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Рельеф поверхностей гипсо-вермикулитовых штукатурных растворных смесей содержащих гидрофобный вермикулит фракций 0,1 – 5,0 мм (-a, -б) и 0,1 – 3,0 мм (-в, -г)

Изучение отштукатуренных поверхностей толщиной до 30 мм через одни сутки показали, что в растворных смесях с соотношением вяжущее:  заполнитель 1,25:1 и 1:1 четко видны зерна заполнителя (Рис. 1-а, -б). Растворные смеси с соотношением вяжущее: заполнитель 2:1; 1,75:1 и 1,5:1 имеют более гладкую поверхность (Рис. 1-в, -г). Результаты исследования показали, что с увеличением количества вяжущего в растворной смеси увеличивается количество гипсовой суспензии, при этом зерна вермикулитов сильно не выделяются.

Установлено отсутствие трещин и усадки на поверхности, хорошее сцепление с вертикальной поверхностью.

Расположение зерен гидрофобного вермикулита в гипсо-вермикулитовой штукатурке исследовалось с помощью оптического микроскопа в образцах семи суточного твердения в поперечном изломе (Рис. 2). Из снимков видны расположение зерен вермикулитов в матрице дигидрата сульфата кальция.

Рисунок 2. Рельеф поперечного излома гипсо-вермикулитового штукатурного раствора семидневного затвердевания (60 кратное увеличение):

а) с заполнителем фракции 0,1-3,0 мм, б) с заполнителем фракции 0,1-5,0 мм

Результаты микроскопического исследования показали, что при затворении смеси водой образуется суспензия гипсового вяжущего, которая обволакивает зерна заполнителя и в процессе твердения образует монолитный каркас.

Установлено, что применение пористых материалов в производстве теплоизоляционных материалов снижает материалоемкость строительства, уменьшает топливные и энергетические затраты на изготовление продукции, а также на эксплуатацию зданий. Малая теплопроводность обусловлена наличием в структуре пористого материала, который имеет большое число пор, заполненных воздухом – плохим проводником теплоты.

С применением гидрофобного вермикулита, кроме штукатурных легких смесей, можно изготавливать различные жестко формованные теплоизоляционные строительные изделия необходимых размеров.

Заключение

Показана возможность получения теплоизоляционных штукатурных смесей и растворов на основе вспученного и гидрофобизированного вермикулита обладающих теплозащитными характеристиками (0,16 – 0,19 Вт/м °C), сопоставимыми с традиционными теплоизоляционными материалами.

Список литературы:

1. Досанова Г.М. Разработка состава порошкового гидрофобизатора на основе талькомагнезита для гидрофобизации вспученного вермикулита // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2022. – № 6 (99). – С. 62−64.
2. ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме». – М.: ГУП ЦПП, 2000. – 22 с.
3. ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». – М.: МНТКС, 1994. – 40 с.
4. ГОСТ 31377-2008 «Смеси сухие строительные штукатурные на гипсовом вяжущем. Технические условия» – М.: Стандартинформ, 2010. – 6 с.
5. Qiyue Xiao, Jieyu Xue, Yuanlong Meng, Yuanrong Ding, Yong Yang. Lightweight and hydrophobic silica aerogel/glass fiber composites with hierarchical networks for outstanding thermal and acoustic insulation // Ceramics International. –Vol. 50. – Is. 24. – Part B. – 2024. – Pр. 54473–54481.
6. Mingchang Zhang, Zhenxin Zhang, Runhua Zhang, Yao Peng. Lightweight, thermal insulation, hydrophobic mycelium composites with hierarchical porous structure: Design, manufacture and applications // Composites. – 2023. – Part B: Engineering. – Vol. 266. – Pp. 111003. DOI:10.1016/j.compositesb.2023.111003.