Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор состояния проблемы 6
1.1 Исторический обзор использования полимеров для модифицирования вяжущих систем 7
1.2 Виды и основные свойства полимеров 7
1.3 Влияние полимеров на свойства гипсовых дисперсий 9
1.4 Твердение гипсовых вяжущих материалов 14
1.5 Основные принципы термодинамики необратимых процессов 19
1.6 Выводы по главе 1 23
ГЛАВА 2. Применяемые материалы и методы экспериментальных исследований 25
2.1 Характеристика используемых материалов 25
2.2 Методики исследования свойств гипсового теста 27
2.3 Методики исследования физико-механических свойств гипсополимерной композиции 27
2.4 Методика исследования коэффициента теплопроводности гипсополимерной композиции 27
2.5 Методики исследования свойств гипсополимерной композиции по отношению к воде 28
2.6 Методика потенциалометрического исследования процессов твердения вяжущих веществ 29
2.7 Методика электрофизического исследования процессов твердения вяжущих веществ 35
2.8 Методика обработки результатов измерений 40
ГЛАВА 3. Исследование процессов твердения гипсополимерной композиции 41
3.1 Термодинамический анализ твердения гипсополимерной композиции
3.2 Электрофизическое исследование твердения гипсополимерной композиции 52
3.3 Выводы по главе 3 56
ГЛАВА 4. Влияние полимера на свойства гипсополимерной композиции 58
4.1 Свойства гипсового теста с добавками полимеров 58
4.2 Физико-механические свойства гипсополимерной композиции 61
4.3 Теплопроводность гипсополимерной композиции 66
4.4 Свойства гипсополимерной композиции по отношению к воде 71
4.5 Выводы по главе 4 77
ГЛАВА 5. Промышленная апробация результатов исследований 79
5.1 Ячеистые материалы 80
5.2 Гипсополимерная смесь для самонивелирующихся оснований под полы 94
Основные выводы 98
Библиографический список
- Виды и основные свойства полимеров
- Методика исследования коэффициента теплопроводности гипсополимерной композиции
- Электрофизическое исследование твердения гипсополимерной композиции
- Свойства гипсополимерной композиции по отношению к воде
Введение к работе
Актуальность работы. Гипсовые материалы относятся к числу эффективных и перспективных строительных материалов, производство которых в настоящее время требует расширения и обновления с учетом последних научных достижений Гипсовые материалы и изделия отличаются рядом положительных свойств, экологической чистотой, низкой теплопроводностью, огнестойкостью, хорошей паропроницаемостью, высокой декоративностью Расширение области использования гипсовых строительных материалов и изделий на их основе возможно за счет повышения их эксплуатационных свойств: прочности, стойкости к неблагоприятным воздействиям Один из эффективных способов улучшения свойств - модифицирование гипсовых материалов эмульсиями полимеров, поэтому исследование их влияния на твердение и эксплуатационные свойства гипса является в настоящее время актуальной задачей строительного материаловедения
Цель исследования - разработка эффективного строительного материала на основе гипса и водной эмульсии полимера с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками Для достижения цели были поставлены следующие задачи
-определить вид и дозировку полимера, оказывающего максимальное положительное влияние на гипсовые материалы;
- установить характер влияния полимера на процессы твердения гипсополимерной композиции,
-установить влияние полимера на физико-механические, теплозащитные и другие эксплуатационные свойства гипсополимерных изделий,
-оценить экономическую эффективность использования полимера в технологии гипсовых материалов и изделий.
Для оценки влияния полимера на процессы твердения гипсополимерной композиции применялся термодинамический подход,
который позволяет количественно сопоставлять процессы структуро- и
гидратообразования
Достоверность результатов работы обеспечивалась применением
аттестованных средств измерений и методов математической статистики, а
полученные выводы подтверждены сходимостью экспериментальных
результатов, полученных в ходе исследований различными методами, и
результатами промышленной апробации Научная новизна
1. Установлены особенности твердения гипсополимерной композиции, заключающиеся в формировании упорядоченной мелкокристаллической структуры, обладающей высокой прочностью. Структура гипсополимерной композиции является термодинамически устойчивой, что предопределяет ее повышенные физико-механические и эксплуатационные характеристики.
2 Выявлены закономерности влияния эмульсии полимера на прочность гипсополимерной композиции и изделий на ее основе Рост прочности, определяемый фазовым и структурным состоянием полимера, обусловлен формированием контактов на границе полимер - двугидрат и уменьшением количества дефектов структуры.
3. Установлен механизм роста водостойкости гипсополимерного материала, заключающийся в формировании водонепроницаемых полимерных пленок в структуре материала, выступающих в роли защитного экрана для кристаллов гипса
4 Установлены особенности теплопереноса в гипсополимерной материале, обусловливающие снижение его теплопроводности при введении добавки за счет увеличения термического сопротивления, оказываемого местами контакта аморфных полимерных пленок и кристаллов гипса и ухудшении условий теплопереноса вследствие большой молекулярной массы и разветвленной структуры полимера
5 Практическая ценность
Разработан новый композиционный материал на основе гипса и эмульсии стирол-акрилатного полимера и изучены его физико-механические и эксплуатационные свойства.
Установлено оптимальное содержание стирол-акрилатного полимера в гипсополимернои композиции - 5% от массы гипса в пересчете на сухое вещество, что соответствует расходу 96 л эмульсии на 1 т гипса Добавка стирол-акрилатной эмульсии в оптимальной дозировке снижает водогипсовое отношение гипсовой дисперсии нормальной густоты с 0,56 до 0,39 и отодвигает начало схватывания теста на 30 мин.
Установлено, что влияние эмульсии на прочность гипсополимернои композиции зависит от фазового состояния полимера в ней рост прочности наблюдается после отверждения полимера Ускорение отверждения полимера может быть обеспечено снижением влажности материала, т е сушкой При обеспечении отверждения полимера добавка при оптимальном содержании повышает прочность гипса при сжатии на 107%, при изгибе на 140%
Установлено, что теплозащитные свойства гепсополимерного материала превышают свойства обычного гипсового камня более чем на 30% Стойкость к попеременному увлажнению и высушиванию гепсополимерного материала возрастает на 70%, коэффициент размягчения — на 30%, водопоглощение материала снижается на 37%, растворимость — на 30%
Опытное внедрение разработанного материала в строительстве показало его высокую эффективность, и доказало возможность замены обычным низкомарочным гипсом дефицитного высокопрочного
На защиту выносятся: 1 Изученные особенности твердения гипсополимернои композиции, заключающиеся в формировании термодинамически устойчивой и упорядоченной мелкокристаллической структуры
Механизм роста прочности гипсополимерных материалов, определяемый фазовым и структурным состоянием полимера
Механизм роста водостойкости гипсополимерного материала, заключающийся в формировании водонепроницаемых полимерных пленок в структуре материала, выступающих в роли защитного экрана для кристаллов гипса
Установленые особенности теплопереноса в гипсополимерном материале, обусловливающие снижение его теплопроводности при введении добавки за счет увеличения термического сопротивления, оказываемого местами контакта аморфных полимерных пленок и кристаллов гипса и ухудшении условий теплопереноса вследствие большой молекулярной массы и разветвленной структуры полимера Реализация результатов исследования
Выпущена опытно-промышленная партия объемом 50 м3 ячеистых гипсополимерных блоков класса В3,5 марки по плотности D700 на Самарском гипсовом комбинате. Полученные блоки удовлетворяют техническим требованиям по теплопроводности (Х=0,129 Вт/м*С) и морозостойкости (F25), предъявляемыми стандартами ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые» и ГОСТ 21520-89 «Блоки из ячеистых бетонов стеновые мелкие»
Выполнены промышленные устройства оснований пола площадью 250 м2 из гипсополимерной композиции на основе гипса марки Г-4 в СМУ-2 ЗАО «Строительный комплекс» г. Магнитогорска Прочность при сжатии основания пола через 2 часа составила 3,0 МПа, через 7 сут - 12,0 МПа Полученные полы удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым СНиП 2.03.13 — 88 «Полы».
Разработаны рекомендации по применению гипсополимерной композиции в строительстве, принятые к работе в ЗАО «Строительный комплекс» г. Магнитогорска.
7 4. Теоретические положения диссертации, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленных испытаний используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на' 15-ой Международной конференции IBAUSIL, г Веймар, 2003; научно-практическом семинаре «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий», гУфа.2004, Восьмых академических чтениях отделения строительных наук РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения», г Самара, 2004, международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г.Белгород, 2005; международной научно-практической конференции «Гипс, его исследование и применение», ВНИИСТРОМ им. П.П Будникова,2005.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 8 печатных работах, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ
Структура и объем работы. Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, 5 глав и общих выводов Работа в целом содержит 125 страниц, 21 таблицу, 38 рисунков, библиографический список из 119 источников.
Виды и основные свойства полимеров
По классификации предложенной В.Б. Ратиновым и Т.И. Розенберг [70], водорастворимые полимеры относятся к добавкам первой группы гидрофилизирующим. Основным процессом, обеспечивающим пластифицирующее действие добавок этой группы, является адсорбция макромолекул полимера на поверхности новообразований, что уменьшает межфазовую энергию и высвобождает большую часть иммобилизованной воды. Также водорастворимые полимеры тормозят последующую гидратацию [70]. Ряд исследователей отмечают следующую зависимость: чем более сильный пластифицирующий эффект, тем более сильный и эффект замедления сроков схватывания [113,114,116].
Согласно современным представлениям [116, 118] механизм действия полимеров заключается в следующем. В начале взаимодействия гипсового вяжущего и воды (с добавкой эмульсии полимера), происходит адсорбция молекул полимера на поверхности гипсовых зерен. Зерна гипса приобретают больший по величине поверхностный заряд, изменяется дзета-потенциал поверхности, в результате чего происходит электростатическая стабилизация суспензии гипса. Разветвленная структура молекул полимера, препятствующая сближению частиц гипса, обеспечивает так называемый пространственный эффект, благодаря которому затрудняется контакт зерен. Как результат этих двух процессов имеет место значительное увеличение текучести суспензии и замедленное растворение кристаллов гипса, что приводит к замедлению начала схватывания гипсового теста. Однако в ряде работ [44, 116, 118] отмечается, что некоторые эмульсии полимеров обладают слабым замедляющим действием либо вовсе его не проявляют. То есть, влияние полимеров на скорость растворения гипса и сроки схватывания не однозначно и зависит не только от типа полимера, но и от свойств эмульсии конкретной фирмы - производителя, так как при производстве эмульсий в нее добавляются стабилизаторы, рН - регуляторы и другие добавки. А сведения о точном химическом составе хороших эмульсий, количестве стабилизатора и добавках являются собственностью производителей и не разглашаются [2]. Поэтому, представляется весьма возможным, что стабилизаторы эмульсии, которые представлены поверхностно-активными веществами, также вносят вклад в замедляющее и пластифицирующее действие эмульсии. Косвенно, это предположение подтверждают данные о том, что редиспергируемые полимерные порошки аналогичного состава не оказывают сильно выраженного пластифицирующего и замедляющего действия [44].
Влияние добавок полимера на текучесть бетонной смеси детально исследовано в работах Л. Скупина [85] и Ю.С. Черкинского[106].
В работах этих исследователей отмечается, что наибольшее влияние на текучесть оказывают полимерные добавки в количестве до 10%, при более высоких концентрациях рост текучести не так заметен. Смесь вяжущего с полимером приобретает новые вязко - пластичные свойства. Поэтому две смеси (обычная и с добавкой полимера), обладающие одинаковой пластичностью по расплыву, отличаются консистенцией и удобоукладываемостью.
Гипсополимерная композиция состоит из двух компонент, которые своими свойствами значительно отличаются друг от друга. Гипс - основное вяжущее и значительно меньшее количество полимера, называемого дополнительным вяжущим или примесью. Только смеси со значительным содержанием полимеров (более 20%) имеют характер наполненной пластмассы, которая дорога и имеет ухудшенные механические свойства. Поэтому на практике добавки полимеров в количестве свыше 20% не применяются. Содержание полимера в гипсовом камне, при котором происходит переход от дискретной к непрерывной полимерной структуре, зависит от величины полимерных частиц в водной дисперсии. С уменьшением размера частиц снижается переходное значение полимер/гипс. Так, для частиц латекса размером около 0,8 мкм соотношение полимер/гипс составляет 0,14-0,16 , для поливинилацетатной дисперсии (2-5 мкм) оно изменяется в пределах 0,18-0,22 [88].
Макромолекулы полимера имеют значительно меньшие размеры, чем зерна гипса. Длина молекулы поливинилацетата равна приблизительно 1 мк и толщина -5 А, в то время как средний размер зерен гипса в среднем равен 10-50 мк. Гипсополимерный композит - это материал, структурная матрица которого представлена каркасом из кристаллов двуводного гипса, между которыми располагаются полимерные пленки. Эти пленки, обладающие хорошей адгезией к кристаллам гипсового камня, имеют прочность при разрыве порядка 5 МПа, что значительно превышает прочность гипсового камня. Таким образом, добавка полимера значительно повышает прочность материала при изгибе [44, 50,85,106,108,116].
Однако, механизм усиления прочности композита нельзя описать на основе элементарных соображений об аддитивности свойств матрицы и наполнителя [67]. П.А.Ребиндер связывал эффект усиления прочности полимерных композитов с развитием коагуляционных сетчатых структур, образующихся в результате сцепления частиц наполнителя через тонкие адсорбционно-сольватные слои полимера.
По мнению В.Тхоле [116], полимеры, основанные на винилацетате, винилацетат-этилене и винил-лаурате повышают прочность при изгибе, основанные на стироле, бутадиене и бутил-акрилате снижают ее; а добавка полимера при постоянном водогипсовом отношении не оказывает положительного эффекта на прочность при сжатии, наоборот, наблюдается отрицательный эффект. Он объясняет это тем, что пленка полимера выступает в роли скользящей плоскости, усиливающей необратимые деформации при нагружении.
Рост прочности при сжатии при добавке полимера, по мнению исследователей, происходит в случае снижения количества воды затворения при сохранении подвижности [44, 116].
Очевидно, что пониженное количество воды затворения обеспечивает получение материала повышенной плотности. Имеющиеся воздушные поры в материале частично заполняются пленками полимера. Высокопористая поверхность материала становится уплотненной, снижается концентрация напряжений и происходит их релаксация при нагружении. При механических взаимодействиях повышенные гибкость и эластичность компенсируют образование микротрещин до тех пор, пока не превышают предельно допустимых значения напряжений. Существование связанных между собой полимерных областей противодействует объединению отдельных микротрещин в одну целую или продольные прорывы. Таким образом, полимерные пленки предотвращают возникновение дефектов материала при напряжениях и растяжениях [105].
Методика исследования коэффициента теплопроводности гипсополимерной композиции
Прочность плотных гипсополимерных образцов определялась на образцах 40 40 160 мм по стандартной методике ГОСТ 23789-79 "Вяжущие гипсовые. Методы испытаний". Прочность ячеистых гипсополимерных образцов определялась на образцах 100 100 100 мм по стандартной методике ГОСТ 10180-81" Бетоны. Методы испытаний". Теплопроводность гипсовых образцов определялась на приборе ИТП-МГ 4 методом измерения плотности стационарного теплового потока по ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».
Водопоглощение образцов определялось путем сравнения массы насыщенных водой образцов и массы сухих образцов по ГОСТ 12730.78 «Бетоны. Методы определения водополощения». Коэффициент размягчения гипсовых образцов определялся как отношение прочности при сжатии насыщенных водой образцов к прочности при сжатии сухих образцов размером 40 40 160 мм.
Реальные условия эксплуатации гипсовых изделий моделируются при проведении испытаний на попеременное увлажнение и высушивание.
Метод определения стойкости к попеременному увлажнению и высушиванию заключался в следующем: изготавливались равноплотные образцы размером 20 20 80 мм из гипса без добавок и гипсополимерной композиции с содержанием полимера 5% и 10% . Образцы были высушены при температуре 60С, взвешены. Из каждой серии было испытано по три образца для определения начальной прочности при изгибе. Цикл увлажнения и высушивания состоял из увлажнения образцов в течение 24 ч в ванне с дистиллированной водой, со слоем воды над поверхностью образцов не менее 50 мм, и последующего высушивания в течение 24 ч в сушильном шкафу при температуре не выше 60С. Через каждые 10 циклов образцы взвешивались и определялась прочность при изгибе трех образцов по ГОСТ 8462 - 85 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе». Вода в ванне менялась через каждые 10 циклов.
Для определения влияния полимерной добавки на растворимость гипса был использован гравиметрический метод определения растворимости гипса [84]. Он заключался в следующем. Были изготовлены образцы - пластины размером 4 4 0,2 см из гипса без добавок и гипсополимерной композиции с содержанием полимера 5% и 10% . Высушенный образец погружался в стеклянную емкость с дистиллированной водой. Объем воды составлял 0,5 л, емкость закрывалась крышкой для предотвращения испарения воды. Далее емкость устанавливалась на магнитную мешалку, где происходило интенсивное омывание водой неподвижного образца в течение 12 ч. Полученный раствор отфильтровывался, нагревался, в него добавлялось несколько миллилитров 2Н соляной кислоты. Далее в горячий раствор добавлялось 5-Ю мл осадителя -горячего раствора хлорида бария, приготовленного из 4-5 мл 2Н раствора хлорида бария и 30-50 мл дистиллированной воды. После взаимодействия ионов SO4 и Ва и созревания осадка раствор отфильтровывался, осадок несколько раз промывался декантацией, полнота промывания проверялась раствором AgNOs- Осадок прокаливался в муфельной печи при температуре 950-1000С и взвешивался на аналитических весах с точностью до 10 4 г. Количество полученного осадка соответствовало количеству ионов SO4 перешедших в раствор из гипса. По количеству сульфат-ионов определялась растворимость гипсового камня.
Сорбционная влажность определялась по ГОСТ 24816-81. «Материалы строительные. Образцы помещались в среду, в которых поддерживалась необходимая относительная влажность воздуха (которая обеспечивалась наличием серной кислоты определенной концентрации [101]). Далее образцы термостатировались при заданной температуре и выдерживались до установления влажностного равновесия. При этом через каждые 7 суток образцы взвешивались. По полученным значениям влагосодержания строились кривые кинетики сорбции исследуемых материалов.
Морозостойкость образцов ячеистого бетона определялась по ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые».
Как было показано ранее (1.2), термодинамический подход обладает большими возможностями для анализа процесса твердения вяжущих веществ. Основной трудностью, препятствующей широкому применению достижений классической и неравновесной термодинамики для экспериментального исследования процесса твердения является отсутствие прямых методов определения химического потенциала, который является универсальным параметром, отражающим качественные и количественные аспекты изменения состояния твердеющих вяжущих систем [25,65].
Наиболее близким аналогом химического потенциала по физическому смыслу является потенциал оводнения 0, введённый в научно-исследовательскую практику Л. - X. Б. Цимерманисом [101].
Многочисленными исследованиями доказана целесообразность применения потенциала оводнения для экспериментального изучения и количественного описания процессов твердения [8, 10, 24, 26, 42, 75, 109]. Достоинством этого параметра является достаточно простая и надежная методика его определения, а также возможность описать структурные превращения вяжущей системы при помощи изотермы оводнения [101]: U =U ехр(—) (2.11) г m.g RT где ит - текущее влагосодержание исследуемой системы; um.g. - максимальное гигроскопическое влагосодержание; а-активность оводнения; 0-потенциал оводнения. Понятие потенциала оводнения основано на чрезвычайно важном факте зависимости давления насыщенного пара, находящегося над плоской поверхностью жидкости, не только от температуры, но и от внешнего избыточного давления [101], что позволило записать выражение для потенциала оводнения 0 в виде: в = ЯТ\щ (2.2) где \/ - общее относительное давление равновесного водяного пара. По своему физическому смыслу потенциал оводнения в изотермических условиях соответствует изменению свободной энергии Гельмгольца AF [25, 90], т.е.:
Электрофизическое исследование твердения гипсополимерной композиции
Как следует из рисунков 3.8, 3.9, 3.10 для систем без добавки и с содержанием добавки в количестве 5% избыточное производство энтропии на всех кривых имеет максимум в точке А. Избыточное производство энтропии, обусловленное структурообразованием, для этих систем имеет минимум в точке В. После точки В избыточное производство энтропии, обусловленное структурообразованием вновь растет, приближаясь к положительной области. Далее избыточное производство энтропии в системе почти прекращется, и вся система в целом стремится к конечному стационарному состоянию. За промежуток времени до точки В слабоструктурированная дисперсная система переходит к образованию пространственных дискретных сетчатых комплексов во всем объеме. Пространственная сетка становится непрерывной во всем объеме системы. В точке В обе фазы (твердая и жидкая), таким образом, являются непрерывными, но состояние жидкой фазы таково, что она, как и твердая, теряет подвижность вследствие поляризации слоев, расположенных у поверхности новообразований [23]. Описанные явления обусловливают схватывание теста вяжущего, сопровождающееся образованием коагуляционной структуры гипсового теста [23]. Возникновение данной структуры связано с развитием процесса структурообразования в массе новообразований. В точке В завершается образование коллоидной коагуляционной структуры [101]. На кривых изменения пластической прочности (Гл. 4, рис. 4.4) в этот момент фиксируется перегиб - наблюдается начало роста пластической прочности гипсового теста.
Как видно на представленных рисунках, добавка в количестве 5% не меняет характер кривых и время наступления экстремумов, вызывая снижение избыточного производства энтропии, что указывает на большую устойчивость структуры и определяет ее большую долговечность. Это подтверждают данные, полученные в результате испытаний на попеременное увлажнение и высушивание образцов из гипса без добавки и гипсополимерной композиции (см. п. 4.5.)
В системе с 10% полимера изменения избыточного производства энтропии практически не наблюдается, что объясняется тем, что полимерная добавка оказала сильное влияние на кинетику процессов гидрато - и структурообразования. Эта система не претерпевает «полезной неустойчивости» - периода вырождения дефектов, при прохождении которого фиксируются экстремумы на кривых избыточного производства энтропии [23].
Таким образом, добавка полимера вызывает снижение избыточного производства энтропии, что указывает на большую термодинамическую устойчивость структуры с добавкой и, соответственно, большую ее стойкость к неблагоприятным воздействиям.
Электрофизический метод исследования позволяет вести непрерывное наблюдение за процессом структурообразования. Регистрируемым параметром при этом является величина электрического сигнала, генерируемого твердеющей вяжущей системой. Кривая изменения электрического сигнала в гипсовой системе без добавок представлена на рис.3.11. На кривой зафиксирован скачок тока через 15 мин, который соответствует переходу частиц из положения дальней в положение ближней коагуляции, что сопровождается увеличением тока в RC -двухполюснике. Это связано с тем, что при сближении частиц возрастает заряд в молекулярном конденсаторе [23], а это закономерно приводит к увеличению тока. В дальнейшем характер кривой изменения электрического сигнала отражает изменение параметра RC в двухполюснике, причём спад величины тока обусловлен как ростом ёмкости С (межфазовая поверхность), так и активного сопротивления R (твердая и жидкая фазы)[18]. ПП . 2 250-Е 200- 150- 100 50- О "1С 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Е емя.ч Рис.3.11. Кривая изменения электрического сигнала в гипсовой системе без добавок Кривая изменения электрического сигнала, полученная при отверждении полимерной пленки представлена на рис.3.12. 50
Этот скачок на кривой изменения электрического сигнала свидетельствует о развитии процесса структурообразования в полимере [23, ПО]. Отверждение полимера является фазовым переходом первого рода [86]. Скачок тока через 10 ч отражает этот фазовый переход и соответствует переходу полимера в твердое состояние. В этом состоянии молекулы полимера связаны силами адгезии [86], при возникновении которых происходит резкий скачок сигнала.
Свойства гипсополимерной композиции по отношению к воде
Область применения гипсополимерной композиции широка. Добавку полимера можно использовать при производстве практически любых гипсовых изделий. Полимерная эмульсия - недешевый компонент композиции, увеличивающий затраты на производство продукции. Однако удорожание компенсируется за счет следующих факторов: 1) исключения использования добавок-пластификаторов и замедлителей твердения; 2) использования более низких марок гипса для получения необходимой прочности либо снижения расхода гипса благодаря повышенной плотности и прочности, 3) снижения толщины изделий благодаря повышенным теплозащитным свойствам; 4) снижения расходов на сушку изделий из-за их пониженного влагосодержания. При эксплуатации гипсополимерных изделий, благодаря их повышенной долговечности, сокращаются расходы на ремонт.
Наиболее перспективное направление - использование композиции для изготовления стеновых материалов, материалов для пола и ячеистых теплоизоляционных изделий, выступающих также в качестве огневой защиты.
Гигиеническая безопасность эксплуатации разработанной композиции подтверждается гигиеническим сертификатом использованной эмульсии и санитарно-эпидемиологическим заключением (Приложение 1 и 2).
В настоящее время ячеистые бетоны - самые эффективные стеновые материалы. Эти материалы обладают достаточной прочностью и обеспечивают требуемое тепловое сопротивление, что исключает использование дополнительной теплоизоляции. Ячеистые бетоны на основе гипса изготавливаются смешением вяжущего с пеной (пеногипс) или введением в него газообразователей (газогипс). Газобетонной технологии свойственны некоторые недостатки, такие как низкая устойчивость поризованной массы, дефектность структуры, анизотропия свойств материалов, сложность поддержания стабильности плотности. Указанных недостатков нет у материалов, полученных по технологии пенной поризацией смеси. Ячеистая структура пеноматериалов более однородна: поры меньшего меньшего диаметра равномерно распределены в объеме изделия, отсутствуют контактные дырки и трещины в перегородках, поверхность последних всегда гладкая и плотная [22]. Поэтому в наших исследованиях применялась пенная технология.
Применение полимера при изготовлении ячеистых строительных материалов раскрывает его положительное влияние на свойства гипса в полной мере: исследования показывают, что полимер положительно влияет на прочностные показатели гипсового камня, снижая при этом коэффициент теплопроводности и повышая стойкость к действию воды (Гл.4).
Расчет состава пеногипса производился по методике, изложенной в [93]. Расход гипса (кг) определялся по формуле: Рг = - - V, (5.1) Кс где P - плотность пеногипса, кг/м ; кс-коэффициент увеличения массы за счет связанной воды, равный 1,186; V-объемзамеса, м . Расход эмульсии полимера (м ) определялся по формуле: P,- !L. (5.2) м р3 где ПІГ- полимергипсовое отношение; м-массовая доля сухого вещества в эмульсии; р3 - плотность эмульсии, кг/м3. Расход воды (кг) определялся (с учетом воды, вводимой с эмульсией) по формуле: В = Рг В/Г-Р3 (1-м), (5.3) где В/ Г - водогипсовое отношение. Пористость получаемого материала рассчитывалась по формуле: n=l-%-(W + B/r), (5.4) где рсух - плотность пеногипса, кг/м ; -коэффициент увеличения массы за счет связанной воды; JF-удельный объем сухой смеси, м /кг; В/Г- водогипсовое отношение. Расход пенообразователя рассчитывался по формуле: Pn= - V, (5.5) к а где к -коэффициент выхода пенообразователя, м3/кг, равный 0,02; а - коэффициент использования пенообразователя, равный 0,8; V - объем замеса, м . В качестве пенообразователя применялся белковый пенообразователь ГК-1 (ТУ 9253-001-02069384-05), разработанный на кафедре строительных материалов и изделий Магнитогорского государственного технического университета. Взбитая пена вводилась в готовое гипсовое тесто.
Было изучено влияние стирол-акрилатного полимера в количестве 5% от массы гипса на прочность при сжатии гипсополимерных образцов и теплопроводность в широком диапазоне плотностей.
Для получения материала с плотностью до 1000 кг/м3 использовалась готовая взбитая пена, более плотный материал был получен без использования пенообразователя путем регулирования количества воды затворения.
Как показывают результаты исследования, эффективность введения полимера растет с увеличением плотности материала. Введение полимерной добавки позволяет получать материал более низкой плотности при сохранении требуемой прочности. Обычно, рост прочности приводит к росту теплопроводности материала, так как неизбежно повышается его плотность. Пеногипсополимерный материал - «исключение» из общих правил: он обладает значительно большей прочностью и меньшей теплопроводностью одновременно.
Известно, что наиболее эффективные теплоизоляционные материалы обладают плотностью ниже 500 кг/м . Однако при такой плотности они обладают невысокой прочностью и малой тепловой инерцией, которая снижает теплоаккумулирующую способность и теплоустойчивость конструкции к внешним переменным тепловым воздействиям. Исходя из этих позиций, наиболее предпочтительными в качестве стеновых выступают материалы с плотностью 600-800 кг/м .
Далее в работе исследовались свойства материала с плотностью 700 кг/м3. Его состав, рассчитанный по вышеприведенным зависимостям, приведен в табл. 5.1.
Одним из положительных свойств материалов на основе гипса является их способность поглощать и выделять влагу при изменении относительной влажности окружающей среды. Гипсовые материалы относятся к так называемым «дышащим» материалам, что определяет высокую комфортность помещений, построенных или отделанных с их помощью.
С целью исследования влияния добавки полимера на сорбционные свойства гипса был проведен следующий эксперимент.
Определялась кинетика сорбции водяного пара ячеистыми гипсовыми образцами без добавки и с содержанием полимера 5% в среде с относительной влажностью воздуха 60% и 97% в течение 6 месяцев. Результаты приведены на рис.5.3-5.4.
