Регулирование процессов структурообразования и свойств структур в дисперсиях полуводного гипса с использованием полимерных реагентов

По мере выделения двуводного гипса из растворов его кристаллы растут, срастаются и обусловливают схватывание и твердение исходной смеси с водой. Во многих случаях происходит нарушение структуры твердеющего гипса после начала его схватывания, что приводит к резкому снижению его прочности. В настоящее время для регулирования процессов и сроков схватывания широко применяют различные полимерные химические реагенты и ПАВ, комплексные добавки, состоящие из веществ, принадлежащих к разным классам, применение которых открывает более широкие возможности при регулировании процессов схватывания вяжущих и подборе оптимальных условий для формирования изделий. Например, при совместном введении добавок электролитов и поверхностно-активных соединений на первом этапе твердения проявляется влияние замедлителя гидратационного твердения [5, с. 26-37; 4, с. 224]. В течение этого индукционного периода гипсовое тесто обладает пластичностью, но не набирает прочность. В дальнейшем наступает быстрое твердение гипса с такой же скоростью, как и в присутствии одного ускорителя первого класса. Следует также отметить, что введение добавок (ускорителей или замедлителей схватывания) обычно отрицательно сказывается на конечной прочности гипсовых изделий. В литературе [3, с. 69-72; 2, с. 56-62] имеются сведения, что введение поверхностно-активных веществ в умеренном количестве (до 0,3 %) способствует увеличению прочности изделий, так как снижение ими активности гипса компенсируется приростом прочности вследствие значительного уменьшения водо-твердого отношения. Однако теоретические аспекты воздействия различных полиэлектролитов и ПАВ на процессы роста и формирования кристаллов двуводного сульфата кальция, образующегося при твердении гипсовых вяжущих, представлены недостаточно широко. Как показали результаты предыдущих исследований, более высокими технологическими свойствами обладают гипсовые вяжущие на основе образцов № 1 и 2. Поэтому целью исследования являлось изучение влияния полимерного вещества – гидролизованного полиакрилонитрила (гипан) – на структурообразующую способность гипсовых вяжущих, содержащих различные наполнители. Применяли в качестве поверхностно-активного вещества технический лигносульфонат в количестве 0,1-0,3% от массы вяжущего [1, c. 172].

Эффективность гипана устанавливалась по консистенции полученных паст, вяжущих при постоянном В/Т, и по сроку схватывания. Все добавки к вяжущим вводились с водой затворения.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности снижения В/Т на 13-16% без снижения прочности и замедления сроков схватывания вяжущего. Замедление времени схватывания, вероятно, прежде всего связано с поверхностной абсорбцией полимера и возникновением эффекта молекулярного электростатического отталкивания частиц гипсовых вяжущих, а также одновременно с этим протекающим процессом взаимодействия полимера с фазами вяжущего. Замедление процессов схватывания для отдельных вяжущих составляет от 1,4 до 4 раз (рис. 1).

Рисунок 1. Кинетика структурообразования в суспензиях ГВ, полученных дегидратацией образца № 1 при температуре 160 °С, содержащего барханный песок и ОСП в количестве 10%

Исследование реологических характеристик проводилось на пасте, полученной на основе обожженного при температуре 160 °С образца № 1. В качестве наполнителей использовались отход содового производства (ОСП) и барханный песок при постоянном водо-твердом отношении, равном 0,5. Анализ зависимостей реологических параметров композиции с лигносульфонатом в составе 0,2% показал (рис. 2), что с увеличением концентрации полимера до 0,5% в системе его разжижающая способность увеличивается, снижается эффективная вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига.

Реологические характеристики вяжущих, приведенных на рисунке 2, зависят от градиента скорости сдвига. С увеличением значений градиента скорости вязкость системы сильно падает, что свидетельствует об уменьшении взаимодействия между частицами дисперсной фазы в результате адсорбции молекул гипана. 

Рисунок 2. Реологические характеристики суспензии образца № 1, содержащей ОСП и барханный песок в количестве 10%

При введении гипана в меньшем количестве (0,1%) проявляется его дефлокулирующее действие, в результате чего уменьшается водопотребность системы. При повышенных концентрациях полимера снижается прочность гипсового вяжущего, свидетельствующих о блокировании молекулами гипана кристаллизационных структур.

Таким образом, проявление свойств поверхностно-активных веществ и полиэлектролита в суспензиях исследуемого образца выражено следующим образом: в первые моменты гидратации происходит хемосорбция молекул ПАВ и полиэлектролита на поверхности частиц дисперсной фазы. Дальше под влиянием расклинивающего действия адсорбционных слоев и прилагаемых сдвиговых механических нагрузок при перемешивании достигается разделение агрегатов из молекул и равномерное распределение частиц дисперсной фазы во всем объеме этой суспензии. Наряду с этим начинаются процессы гидратации вяжущего, с ростом продуктов данного процесса наблюдается резкое падение подвижности системы, протекающее одновременно со схватыванием.

Анализируя полученные результаты исследований, можно полагать, что смесь гидролизованного полиакрилонитрила и технического лигносульфоната является эффективной добавкой для регулирования сроков схватывания гипсового вяжущего на основе исследуемых образцов.

Выявлено влияние гипана на твердение гипсовых вяжущих, содержащих наполнители в различных количествах, заключающееся в направленном формировании упорядоченной мелкокристаллической структуры с плотной упаковкой новообразований, что способствует снижению водопотребности и обеспечению повышенных физико-механических характеристик вяжущего.