Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ использования модифицирующих добавок к строительным растворам 7
1.1. Структура строительного раствора 7
1.2. Модификация строительных растворов 10
1.3. Глина как добавка в строительные растворы 11
1.4. Органические поверхностно-активные добавки 14
1.5. Ультрадисперсные порошки как добавки к строительным материалам 20
1.6. Технический углерод как структуреформирующая добавка в цементных и глиняных композициях 23
1.7. Постановка цели и задачи исследования 29
ВЫВОДЫ 30
Глава 2. Изучение и оценка свойств сырьевых материалов. Методы их иснытаний .32
2.1. Методы испытаний 32
2.2. Глины и суглинок 39
2.3. Поверхностно-активные вещества 46
2.4. Тонкодисперсные порошки 47
2.5. Портландцемент 52
2.6. Кварцевый песок 54
2.7. Методика обработки результатов измерений 55
Глава 3. Влияние тонкодисперсных порошков па свойства глин 58
3.1. Изменение прочностных характеристик глины с применением модификаторов 58
3.2. Реологические свойства модифицированных глинистых суспензий 64
3.3. Определение водородного показателя (рН) изоэлектрического состояния поверхностей суспензий бентонитовой глины, суглинка и модификаторов 70
3.4. Электронно-микроскопические исследования 76
3.5. Определение коллоидальности добавки глины с модификаторами 76
3.6. Влияние тонкодисперсного порошка П 161 на основные свойства глиняного теста 78
3.7. Показатели и обоснование выбора состава песчано-бентопитовой смеси 81
ВЫВОДЫ 85
ГЛАВА 4. Влияние модифицированной добавки глины на эксплуатационные свойства штукатурного раствора 87
4.1. Выбор модификатора для добавки глины в нортландцементные композиции 87
4.2. Эксплуатационные свойства штукатурного раствора ;-. 95
4.3. Исследование изменения эксплуатационных свойств цементных композиции 99
4.4. Влияние добавки бентонитовой глины на основные свойства растворной смеси и строительного раствора 102
4.5. Результаты расчета сопротивления оштукатуренной степы паропроницанию 104
4.6. Выбор оптимального состава строительного раствора для штукатурных работ ". 112
ВЫВОДЫ 117
Глава 5. Результаты производственного внедрения штукатурного раствора с модифицированной добавкой глины 118
5.1. Промышленная апробация разработанного штукатурного раствора 118
з
5.2. Экономическое обоснование применения разработанной штукатурной смеси 123
Выводы 136
Основные результаты и выводы 137
- Технический углерод как структуреформирующая добавка в цементных и глиняных композициях
- Методика обработки результатов измерений
- Определение водородного показателя (рН) изоэлектрического состояния поверхностей суспензий бентонитовой глины, суглинка и модификаторов
- Влияние добавки бентонитовой глины на основные свойства растворной смеси и строительного раствора
Введение к работе
Одним из решений проблемы социального жилья является реконструкция крупнопанельных зданий массовой застройки. Улучшение эксплуатационных показателей повсеместно применяемых штукатурных растворов на основе портландцемента представляет собой актуальную задачу. При этом создание наукоемких технологий с использованием местных и региональных ресурсов является наиболее перспективным.
Известной добавкой к строительным растворам на основе цементного вяжущего является глина. Она используется в качестве водоудерживающего и пластифицирующего компонента. В Омской области имеется два вида глинистого сырьевого материала. Это бентонитовая глина Любинского и суглинок Надеждипского месторождений. Недостатком использования «жирной» бентонитовой глины является воздушная усадка, что вызывает появление трещин в тонкослойных композиционных покрытиях на основе портландцемента. Для ликвидации этого недостатка требуется введение структурирующего и армирующего компонента в цементно-глиняную композицию.
Известны структуроформирующие добавки в композиционные материалы, которыми являются тонкодисперсные порошки, состоящие из агрегатов наночастиц (порошки технического углерода в глиняных композициях, порошок карбопитрида титана в композициях на фосфатном вяжущем).
В связи с этим целесообразно изучить действие структурирующих тонкодисперсных порошков на добавку глины; и подобрать порошки, улучшающие эксплуатационные показатели готовой штукатурной смеси на основе портландцемента. Особый интерес представляет действие порошков технического углерода.
Цель диссертационной работы заключается в разработке состава модифицированной тонкодисперсным порошком добавки глины к штукатурным растворам на основе портландцемента.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Исследовать местное глинистое сырье как добавку к строительному раствору па основе портландцемента для штукатурных работ.
Подобрать модификатор - тон ко дисперсный порошок - к добавке глины; для чего изучить физико-механические (прочностные и реологические) характеристики и физико-химические свойства (водородный показатель изоэлектрического состояния поверхности) глинистых композиций.
Разработать состав модифицированной техническим углеродом добавки глины в портландцемент.
Разработать состав штукатурного раствора для обрызга и грунтовки на основе портландцемента с модифицированной техническим углеродом добавкой бентонитовой глины.
Исследовать действие порошка-модификатора на эксплуатационные свойства штукатурного раствора на основе портландцемента.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Установлено, что эксплуатационные характеристики строительного раствора на основе портландцемента улучшает добавка бентонитовой глины модифицированная техническим углеродом марки П 161. Технический углерод, имеющий линейную структуру агрегатов частиц и оптимальную структурированность, создает армирующую сетку в модифицированных цементпо-глиняных композициях, тем самым повышает их трещиностойкость, воздухо - и паропроницаемость. Новизна технических решений защищена патентом РФ № 2227079 от 20.04.2004 г.
Практическая значимость работы: I. Разработан состав штукатурного раствора ручного нанесения для обрызга и грунтовки на основе портландцемента с модифицированной
6 добавкой бентонитовой глины. В качестве модификатора добавки используется технический углерод П 161, что позволяет повысить тре-щиностойкость, паропроницаемость затвердевшего штукатурного раствора. Смесь растворная, штукатурная, цементная, М75, Пк3, D1330 кт/м , ГОСТ 28013 - 98. Опробована на производственном участке ОАО «Омский комбинат строительных конструкций» и строительной организацией ООО «Мирава». Получены акты о внедрении. Апробации работы.
Основные положения работы изложены на межрегиональной научно-технической конференции Новосибирского Государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2001, 2006 г.г.); международных научно-практических конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (г. Пенза 2001, 2002, 2003 г.г.); международных научно-практических конференциях Сибирской государственной автомобиль! ю-дорожной академии (г. Омск, 2001, 2003, 2005 г.г.); международной научно-практической конференции Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2003 г.); международной научно-практической конференции Белгородского государственного технического университета им. В.Г.Шухова (г. Белгород, 2005 г.); 58 - ой научной конференции Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск, 2006 г.)
Технический углерод как структуреформирующая добавка в цементных и глиняных композициях
Термин «технический углерод» (сажа) обозначает отдельный класс в промышленных углеродных продуктах. Углерод в нем находится в особой форме (модификации), которая в природных материалах не встречается.
Технический углерод отличается высокой дисперсностью. В настоящее время основными описательными терминами морфологии углерода остаются «частица» и «агрегат», которые имеют следующие определения [99].
Агрегат технического углерода - это дискретная жесткая коллоидная сущность, представляющая собой наименьшую диспергируемую единицу, он состоит из обширно сплавившихся частиц. На рис. 1.2 представлен микро снимок агрегата технического углерода, выполненный с помощью сканирующего електронного микроскопа [103]. На этом снимке ясно виден синтез шарообразных сросшихся частиц. Частица технического углерода - небольшой сфероидальный паракристаллический недискретный компонент агрегата. Она отделяется он агрегата только путем разрыва. В настоящее время инструментально подтверждено, что частицы в агрегате связаны непрерывной графитовой структурой (сетью). Это иллюстрируется моделью агрегата на рис. 1.3. Здесь более темные участки представляют кристаллиты, а светлые области богаты «аморфным» углеродом 1106]. Следует отметить, что все морфологические свойства технических углеродов: размер частиц, размер и форма агрегатов - изменяются в широком диапазоне среди различных марок.
Технический углерод относится к классу дисперсных материалов. Размер и распределение частиц по размерам являются самыми важными физическими свойствами технического углерода в смысле его конечного применения, несмотря на то, что частицы существуют как дискретные элементы исключительно в термических марках техуглерода.
Дисперсность сферических частиц технического углерода можно оценивать по их диаметру Dr, колеблющемуся в условиях получения различных марок продукта в пределах десятков - сотен нанометров. Уменьшение размеров частиц (повышение дисперсности продукта) ведет к увеличению однородности получаемой композиции. Условия проведения процесса не позволяют получить строго однородный по размерам частиц продукт, и он является существенно полидисперсным, то есть представляет собой смесь продуктов различной дисперсности. Полидисиерсность характеризуется распределением частиц по размерам. Чем шире кривая распределения частиц по размерам (диаметрам), тем менее однороден продукт, то есть тем меньше содержание частиц с диаметром, характеризующим дисперсность продукта в составе технического углерода одной марки (рис. 1.4).
Прямое измерение размера частиц и их распределение возможны только с помощью элекфонной микроскопии. По данным электронной микроскопии размер частиц пропорционален размеру агрегатов. Для каждого отдельного агрегата средний диаметр частиц d выводится как: d=a(nxA/P), (1.1) где Л - площадь проекции агрегата; Р -периметр агрегата; а -коэффициент, связанный с формой агрегата. Правильность выражения формулы (1.1) во многом определяется однородностью размера частиц внутри любого заданного агрегата технического угле 26 рода [115]. Таким образом, количество частиц п в каждом агрегате может быть приблизні ельио вычислено как: n=Va/V4 (1.2) где VA -вычисленный объем агрегата; V4 -объем частицы, имеющей форму шара.. По d п п для каждого агрегата можно определить полное распределение частиц по размерам. Удельная геометрическая поверхность Sy выводится непосредственно из среднеповерхностного диаметра dc.„. по выражению Sy (M2/r) = 6000/pxdc.„ где
р - плотностьтехуглсрода, г/см3; dc.n. - диаметр, нм.
Следует отметить, что модель афегата для расчета площади поверхности по электронному микроскопу предполагает, что шаровидные частицы не связаны в агрегаты. Кроме того, метод не учитывает и пористость поверхности частиц.
Размер и форма агрегатов (структурность). Агрегаты представляют собой наименьшую дисперпіруемую единицу технического углерода, состоящую из сросшихся частиц. Частицы в первичных агрегатах связаны химически (валентными связями). Этими связями на участках срастания обусловливается высокая прочность первичных агрегатов [55]. Количество частиц в агрегате колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен.
Размеры п форма первичных агрегатов определяют такое важное свойство продукта, как структурность, а характеристику неправильности формы и отклонения от сферы агрегатов технического углерода называют его структурой.
Высокоструктурные марки технического углерода имеют более сложную форму первичных агрегатов. Некоторое представление о морфологии обычных и высокое груісі урпых марок технического углерода можно составить, сравнивая силуэты входящих в их состав первичных агрегатов частиц.
Методика обработки результатов измерений
Для обработки полученных экспериментальных значений использовались методы математической статистики.
Определение объема пассивных однофакторных экспериментов выполнялось с учетом предположения, что распределение исследуемых параметров следует нормальному закону Гаусса. Случайный характер результатов испытаний, выражаемый дисперсией разброса исследуемых параметров, обусловлен как естественной неоднородностью материала конструкции, так и изменчивостью работы испытательного оборудования.
Поскольку при каждом измерении исследуемых параметров происходят случайные измерения, то целью статистического исследования является отыскание оценки совокупности параметров на основе выборочной статистики. При установлении объема выборки используется интервальная оценка, т.е. с назначенной степенью надежности определяется доверительный интервал возможных значений исследуемого параметра. Чем шире доверительный интервал, тем надежнее получаемая оценка.
В процессе обработки экспериментальных данных следует исключить грубые ошибки статистического ряда. Выборка из полученных результатов измерений имеет цель определить, является ли данный резко отличающийся результат закономерным, или он случаен, т.е. является ли он промахом или ошибкой в данной серии измерений. Выборка выполнена с помощью метода оценки по критерию появления грубых ошибок [48]:
где /5], А: - наибольший и наименьший критерий появления грубых ошибок из серии выборки;
Лпт. Л п;п - соответственно наибольшие и наименьшие значения из N измерений.
Полученные значения /?ь Аг сравниваются с максимальным значением Днях, найденным по таблице оценки критериев появления грубых ошибок 10.3 [48] при фактическом числе измерений N и принятой доверительной вероятности. !:слп /У, -Ап.іч. то значения Хпац необходимо исключить из статистического ряда как грубую погрешность. При рг рт\п исключается величина Хтт.
После ПСКЛІОЧеіІИЯ Грубых Ошибок Определяются НОВЫе ЗНаЧеНИЯ И (ТИЗ (N I) измерений. Глава 3. Иліпішіс гопкодисперсных порошков на свойства глин
Для решения одной из задач, поставленных в работе, а именно: выбора модификатора к добавке глины, исследовалась прочность глинистых композиций на сжатие. Известно, что прочность является структурочуствительным параметром материалов. Были исследованы композиции с содержанием модификаторов, высокодисперсных порошков, в глине от 0,01 % до 1%. Процентное содержание модификаторов в глине выбрано в соответствии с патентными исследованиями по изменению технологических свойств образцов глин в зависимости от количества модификатора. Предел прочности при сжатии в сухом состоянии определялся по ГОСТ 3594.6 «Метод определения предела прочности глин формовочных огнеупорных при сжатии в сухом состоянии». В каждой серии экспериментов испытывался образец глины без добавки модификатора - стандартный образец. Рассчитывался процент отклонения прочности образцов с добавкой модификатора от стандартного образца. Па основе -экспериментальных данных были построены гистограммы «Процент отклонения продела прочности глины от процентного содержания высокодиепереных порошков» (рис. 3.1-3.9). Также рассчитывался коэффициент вариации С,. Математическая обработка результатов эксперимента приведена в приложении 1. Коэффициент вариации стандартного образца не превышал 0,2 [85,80,89].
Для подбора модификаторов были опробованы порошки, отдельные частицы которых имеют размеры наноуровня: это порошки карбонитрида титана (TiC N,, ), гидролипидокракита (Fe20j) и технического углерода. Технический углерод различных марок отличается по структуре и размерам агрегатов. г)то позволило исследовать влияние этих факторов на свойства глины. Исследования [фоводили для того, чтобы определить с каким высокодисперсным порошком работать в дальнейшем [87].
Из piicJ.i-3.2. пидно, что добавка технического углерода П 161 повышает прочность it среднем до 40 % (в случае суглинка) и до 27 % (в случае бептониюіюп глины).
ИІ риє. 3.3. -3.4. видно, что добавка технического углерода марки
П 603 понижает прочность в среднем до 32 % (в случае суглинка) . В случае бсптоіппоіюй глины с добавкой технического углерода марки П 603 можно выделт ь области понижения и повышения прочности. Понижение прочное їй можно объяснить тем, что технический углерод П 603 гранулированный и может агрегироваться при наполнении глинистой композиции, вследствие чего структура окажется неоднородной и прочность системы снизится [9! [.
Определение водородного показателя (рН) изоэлектрического состояния поверхностей суспензий бентонитовой глины, суглинка и модификаторов
Кислшно-осповпое взаимодействие может привести к уменьшению подвижности композиции. Для определения кислотно-основного взаимодействия меха} добавкой глины и тонкодисперсным модификатором был измерен водородный показатель изоэлектрического состояния поверхности суспензий беиништовой глины, суглинка и модификаторов.
Были построены графические зависимости водородного показателя от его изменения в зависимости от введенного тонкодисперсного порошка. Точка пересечения кривой рН с осью абцисс является точкой рН изоэлектрического состояния суспензий.
Как видно из рис. 3.19 рН изоэлсктрического состояния поверхности суглинка ранен 8,0 В табл. 3.2 приведены данные измерений рН изоэлектри-ческого состояния поверхности бентонитовой глины. состояния поверхности технического углерода марки П 161.
Исследования кислотно-основных свойств поверхности бентонитовой глины и тонкодисперспых порошков показали, что водородный показатель изоэлектрического состояния поверхности бентонитовой глины и тонкодисперсных порошков находится в слабощелочной области (для П 161 рН = 8,1 а для бентонитовой глины рН = 8,0) и практически совпадают. Следовательно, технический углерод марки П 161 совместим по рН с добавкой бентонитовой глины (рис.3.23) [80].
Для технического углерода марки П 603 водородный показатель изо-электрического состояния поверхности равен 6,6, Поэтому между ним и бентонитовой глиной возможно кислотно-основное взаимодействие, которое приводит к агрегации частиц, т.е. уменьшению дисперсности системы. Ки-слотно-осіювшлм взаимодействием можно объяснить повышение вязкости в случае использования в качестве модификатора в бентонитовой глине П 603. Совместимость по кислотно-основным свойствам (в случае П 161) приводит к тому, что модификатор не будет влиять на подвижность глинистой композиции [90]. В табл. 3.5 приведены значения рН изоэлектрического состояния поверхности бентонитовой глины, суглинка и модификаторов.
Электронно-микроскопические исследования показали, что технический углерод адсорбируется на поверхности частиц бентонитовой глины, а также образуеі сетчатые структуры между ними [91,92].
Так как частицы тонкодисперсного порошка имеют размеры ПАВ, которые могут способствовать набуханию глинистых суспензий, целесообразно было измерить коллоидальность. Коллоидальность измерялась по ГОСТ 3594-10-77 «Глины формовочные. Определение коллоидальности». Результаты измерений приведены в табл. 3.6. Где 11, высота осадка, высота пробирки с раствором, среднее значение из трех измерений Как показывают результаты исследований, при добавлении модификаторов коллоидальность бентонитовой глины увеличивается, а суглинка практически не изменяется. Следовательно, живучесть системы бентонитовой глины с модификатором выше, чем суглинка с модификатором.
Влияние добавки бентонитовой глины на основные свойства растворной смеси и строительного раствора
Таким образом, строительный раствор на основе портландцементного вяжущего, с лооавкои і липы и тонкодисперсного порошка, имеет лучшие свойства по сравнению с обычным цементным раствором.
Испытаны составы строительного раствора:
вяжущее - портландцемент - 100 %;
добавка бентони говая глина - 5 - 15 %;
модификатор - технический углерод марки П 161 - 0,5 - 3 % (от массы бентонитовой глины)
Для указанных составов:
- марка растворной смеси по подвижности: Пк4 - Пк8
- расплыв конуса на встряхивающем столике, мм: 190 - 280
- глубина погружения конуса, см: 1 - 103
- водоудерживающая способность, %: 90 - 99
- расслаиваемое, %: 1-Ю
- марка (класс) раствора по прочности: М50, М75
- прочность в возрасте 28 сут, МПа: 6,5 - 8,7
- адгезионная прочность, МПа: 0,3 - 0,5
Паропроницаемоеть штукатурного раствора на уровне исходного цементного раствора обеспечивает добавка тонкодисперсного порошка технического углерода. Наличие сажевых агрегатов увеличивает микрошероховатость поверхности штукатурки, повышая ее адгезионную способность. Штукатурка не дает трещин, обладает лучшей удобоукладываемостью. Удобоук-ладываемость улучшается благодаря введению в композицию добавки бентонитовой глины ( Любннское месторождение) [88]. Сетка из частиц технического углерода препятствует образованию трещин. Увеличение водоудер-живающен способности и снижение расслаиваемости растворной смеси связано с наличием в ее составе добавки глины, модифицированной П 161, который приводит к стабилизации цементного теста - заполнению пространства между зернами цемента, увеличению числа контактов между ними. Технический углерод увеличивает силы сцепления между частицами, что значительно уменьшает возможность расслоения растворной смеси. Повышение плотности упаковки частиц и увеличение интенсивности сил взаимодействия между частицами приводит к способности удерживать воду в цементном тесте и как следствие - к росту прочностных показателей.
В работе исследовалась добавка глины в количестве 20 % [7, 11] и модификатора добавляли 4 %, но при такой концентрации модификатора идет разрушение структуры композиции за счет мелкодисперсного наполнителя. При увеличении количества бентонитовой глины до 20 % водоудерживающая способность возрастает до 106 %, наблюдается уменьшение прочности на сжатие от 1,7 до ! ,4 МПа. Поэтому решено было остановиться на интервале от 0,5 % до 3 % По результатам производственных испытаний был сделан вывод о соответствии свойств штукатурного раствора требованиям, предъявляемым к физико-техническим свойствам строительных растворов для штукатурных работ. Штукатурка не дает трещин. Растворная смесь обладает лучшей пластичностью и удобоукладываемостью. Удобоукладываемость улучшается благодаря введению в композицию добавки бентонитовой глины ( Любинское месторождение). Увеличение водоудерживающей способности и снижение расслаиваемое растворной смеси связано с наличием в ее составе добавки глины модифицированной техническим углеродом марки П 161. Модификатор стабилизирует цементное тесто, заполняет пространство между зернами цемента, увеличивает число контактов между ними.
1. Вяжущее на основе портландцемента с добавкой модифицированной бентонитовой глины обладает лучшими свойствами по адгезионной прочно сти, чем с добавкой модифицированного суглинка.
2. При введении модифицированной техническим углеродом добавки бентонитовой глины увеличивается водоудерживагощая способность штука турного раствора от 95 до 99 %, уменьшается рассланваемость штукатурного раствора от 10 % до 1 %.
3, Бентонитовая глина увеличивает адгезионная прочность штукатурного раствора в 1,7 раз по сравнению с бездобавочным цементным раствором (от 0,3 до 0,5 МПа). 104
Расчет сопротивления паропроницанию Rnj м -ч-Па/мг ограждающих конструкций выполняется в соответствии со СНиП П-3-79 [67] с целью проверки обеспечения их нормального влажностного состояния для всех ограждающих конструкций. Сопротивление паропроницанию конструкции R„ определяется в пределах от се внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации, местоположение которой в ограждающих конструкциях различного типа указано на рис. 4.14.
