Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований.
1.1. Способы получения высокопрочных гипсовых вяжущих
1.2. Способы облегчения гипсовых материалов и изделий.
1.3. Обзор по устройству наливных полов.
1.4. Цель и задачи исследований.
ГЛАВА 2. Исследование свойств гипсовых и ангидритовых вяжущих как базового материала для самонивелирующихся стяжек полов .
2.1. Характеристика исходных материалов и методы получения вяжущих .
2.2. Исследование гипсовых и ангидритовых вяжущих с различной водопотребностью.
2.3. Выводы по главе.
ГЛАВА 3. Исследование влияния способов облегчения на прочность гипсовых отливок .
ГЛАВА 4. Исследование пенообразователей, способов и агрегатов для получения пены .
4.1. Пенообразователи для поризации гипсовых изделий .
4.2. Способы и агрегаты для получения пены.
4.3. Обоснование конструкции и разработка пеногенератора.
4.4. Исследование и участие в разработке новых видов пенообразователей.
4.5. Выводы по главе
ГЛАВА 5. Разработка составов, технологии, оборудования для устройства стяжек полов и внедрение результатов исследований .
5.1. Разработка составов для самонивелирующихся стяжек полов .
5.2. Разработка и промышленные испытания оборудования для механизированного устройства гипсовых стяжек полов.
5.3. Конструктивные решения полов с гипсовыми стяжками.
5.4. Технология устройства гипсовых стяжек.
5.5. Использование результатов исследований для других целей.
Основные выводы 118
Список литературы 120
Приложения 132
- Способы получения высокопрочных гипсовых вяжущих
- Характеристика исходных материалов и методы получения вяжущих
- Пенообразователи для поризации гипсовых изделий
- Разработка составов для самонивелирующихся стяжек полов
Способы получения высокопрочных гипсовых вяжущих
Основой большинства способов получения гипсовых вяжущих является термическая обработка природного минерала гипса - CaS04 Н20 с частичной дегидратацией до полугидрата сульфата кальция - CaS04 0,5 Н20. Полученный полугидрат обладает вяжущими свойствами и при смешивании с водой вновь переходит в дигидрат сульфата кальция, образуя при этом камневидное тело. Работами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что время и степень дегидратации гипса зависят от температуры и продолжительности нагревания, а также от давления водяных паров, окружающих гипс в процессе тепловой обработки [1- 26].
Необходимым условием получения а - полугидрата является наличие жидкой фазы вокруг его растущих кристаллов. В связи с тем, что дегидратация гипса и кристаллизация полугидрата возможна при температурах выше 100С, образование а - полугидрата возможно лишь в автоклавах под давлением или при атмосферном давлении, но в растворах солей и кислот с температурой кипения более 100С.
Высокопрочные гипсовые вяжущие, называемые также высокопрочным гипсом, автоклавным гипсом и вяжущим типа а- полугидрата, имеют прочность 20-50 МПа.
Впервые а- полугидрат был обнаружен Джонстоном в 1938 году в накипи парового котла, работающего при давлении 0,12 МПа (121С). В 1899 году Я.Левинский получил патент на изготовление "упрочненного гипса" путем запаривания гипсового камня в автоклавах при давлении 0,6 МПа с последующей сушкой.
В 1933 году в США В.Рендель и М.Дейлей получили патент на способ изготовления гипсового вяжущего путем запаривания дигидрата сульфата кальция насыщенным паром. В Советском Союзе С.Ф.Яшкаров в 1931 году получил высокопрочное гипсовое вяжущее при обработке паром дигидрата сульфата кальция в автоклаве при давлении 0,8 МПа. В 1932-1934 г.г. А.В.Волженский и Р.К.Кордонская установили оптимальное время обработки гипсового камня под давлением 0,8 МПа. Они изучали также влияние продолжительности запаривания на прочность полугидрата.
В 1936 году В.В.Манжурнет проводил дегидратацию гипса при различном давлении (от 0,25 до 0,8 МПа) и разной продолжительности (от 1,5 до 9 часов). Сразу же после автоклавирования материал подвергался сушке при 80-90С в течение 45 минут.
В 1938 году И.А.Передерием был предложен способ получения высокопрочного гипсового вяжущего путем запаривания гипсового щебня размером 15-50 мм в автоклаве при давлении 0,13 МПа с последующей сушкой его при температуре 120С в сушильном барабане.
Способы, предложенные Ф.Т.Садовским и А.С.Шкляром, а также П.И.Боженовым предусматривают запаривание гипса в демпферах в течение 5-7 часов при давлении 0,1 МПа и относительно короткую конвективную сушку в том же аппарате. Согласно способу Ф.Т.Садовского и А.С.Шкляра, сушка ведется при постоянной температуре -160С, а по способу П.И.Боженова сушка начинается при температуре 300С и заканчивается при 160С.
Опыты П.ПБудникова с термообработкой гипсового камня паром показали возможность получения высокопрочного гипсового вяжущего при давлении 0,8 МПа в течение 2,5 часов. Им совместно с М.Ю.Юшкевичем и Ф.Т.Садовским был разработан ускоренный способ производства высокопрочного гипсового вяжущего.Порошок дигидрата сульфата кальция нагревается в закрытом варочном котле под давлением 0,1-3 МПа около 30 минут и затем сушится в том же котле в течение 1 часа при температуре 160-170С.
Работами Б.Г.Скрамтаева и Г.Г.Булычева было установлено, что для образования а-полугидрата достаточно той воды, которая выделяется при дегидратации, на основе чего было предложено изготовление высокопрочного гипсового вяжущего методом "самозапаривания": гипс обрабатывают насыщенным паром, поученным при его нагревании в герметично закрытом аппарате при температуре 123- 124 С, что соответствует давлению пара 0,12-0,13МПа.Нагрев гипсового щебня осуществляется дымовыми газами, проходящими по трубам внутри аппарата. Сушка полученного материала происходит в том же аппарате при температуре выше 100С.
Исследования П.П.Будникова подтвердили, что для образования а-полугидрата необходимо минимальное количество жидкой фазы: для этого вполне достаточно той воды, которая выделяется при дегидратации гипса.
Различные способы получения высокопрочного гипсового вяжущего и аппараты для их реализации разработаны в институте технической теплофизики АН Украины, Уралниистромпроекте, в Киевском НИИСМИ и др.
ВНИИСТРОМом им.П.П.Будникова разработана технология, обеспечивающая получение гипсового вяжущего марок 600-700, заключающаяся в измельчении гипсового сырья, введении в него модификаторов роста кристаллов, 6рикетировании,тепловой обработке, сушке и измельчении готового продукта.
Рижским политехническим институтом наиболее полно исследован способ получения гипсового вяжущего путем дегидратации гипсового сырья в растворах солей при атмосферном давлении. После тепловой обработки смесь выгружается в аппарат для отделения раствора солей. После многократной промывки материала горячей водой его высушивают и измельчают.
А.В.Волженский, А.В.Ферронская и А.Е.Венец рекомендуют получать высокопрочное гипсовое вяжущее при атмосферном или повышенном давлении. Способ отличается от схемы Рижского политехнического института введением поверхностно-активных веществ в процессе тепловой обработки. Кроме того, для ускорения дегидратации гипса и получения более крупных кристаллов а-полугидрата рекомендуется в исходную суспензию вводить затравку - кристаллы а -полугидрата. Все рассмотренные способы получения высокопрочного гипсового вяжущего можно разделить на три основные группы:
1) тепловая обработка насыщенным паром под давлением кускового или брикетированного гипсового сырья с различными способами сушки дегидратированного продукта и помолом;
2) тепловая обработка при атмосферном давлении порошкообразного гипсового сырья в растворах солей, в т.ч. с введением модификаторов, с последующей промывкой, сушкой и помолом готового продукта;
3) тепловая обработка под давлением порошкообразного гипсового сырья в водной суспензии при перемешивании и введении модификаторов роста кристаллов, с фильтрацией, сушкой и помолом готового продукта.
Наибольшее практическое значение имеют способы получения высокопрочных гипсовых вяжущих из природного сырья и отходов промышленности 1) и 3).
Характеристика исходных материалов и методы получения вяжущих
На первом этапе рассмотрена возможность и рациональность применения различных видов гипсовых и ангидритовых вяжущих для получения требуемых показателей свойств самонивелирующихся стяжек полов.
Для исследований использовали имеющие практическое значение сырьевые материалы (природный гипсовый, ангидритовый камень различной чистоты и фосфогипс). Применяли промышленные образцы вяжущих из этого сырья, а также специально полученные во ВНИИстроме. По единой методике определения (ГОСТ 23789-79) получена усредненная зависимость прочности сухих образцов гипсовых и ангидритовых вяжущих от количества воды для получения теста стандартной консистенции (нормальной густоты), обозначаемой далее "Н/Г" в процентах, как отношение массы воды к массе вяжущего. Для удобства, Н/Г для ангидритовых вяжущих пересчитано на полугидрат сульфата кальция.
В качестве сырья использовали гипсовый камень Бебяевского, Чумкасского, Артемовского, Баскунчакского и Шедокского месторождений, а также фосфогипс Воскресенского ПО "Минудобрения" из фторапативого концентрата. Химический состав и расчетное содержание основного минерала приведены в табл. 2.1.
Гипсовые вяжущие были получены известными способами: обжигом и помолом сырья, автоклавной обработкой щебня насыщенным паром с сушкой и помолом, автоклавной обработкой брикетов предварительно измельченного сырья с добавками-модификаторами насыщенным паром с сушкой и помолом, а также автоклавной обработкой суспензии фосфогштса с сушкой и помолом.
Автоклавные гипсовые вяжущие сверхнизкой (менее 30%) водопотребности получали по разработанной во ВНИИстроме технологии, которая заключается в следующем.
Гипсовый камень дробили в щековой дробилке, а затем в молотковой Измельченный гипс фракции 0-10 мм перемешивали с водным раствором добавок 35 модификаторов роста кристаллов полугидрата сульфата кальция. Полученную смесь прессовали под давлением 10 МПа и получали брикеты в виде цилиндров диметром 100 мм. Брикеты подавали в автоклав, в котором происходит дегидратация гипса и кристаллизация полугидрата сульфата кальция. Тепловая обработка осуществлялась по режиму: подъем давления до 0,13 МПа 0,5 - 0,5 часа; изотермическая выдержка - 7 часов; сброс давления - 0,5 часа. Сушка запаренных брикетов производилась в том же автоклаве, снабженном паровой рубашкой и дополнительными обогревающими устройствами. Высушенные брикеты дробили в молотковую дробилке, а затем измельчали в вибромельнице.
На момент выполнения работы разрабатываемые месторождения природного ангидритового камня в Российской Федерации и в СССР отсутствовали, в том числе из-за отсутствия промышленных технологий ангидритовых вяжущих и областей их применения. В связи с этим нами предварительно изучены все месторождения ангидрита и выбраны для проработки два - Гаурдакское (Туркмения) и Порецкое (Чувашия) месторождения. Выбор был обусловлен свойствами сырья и перспективностью промышленной добычи. Кроме того, использовали наиболее чистый ангидрит, тонкие пласты которого имеет Бебяевское месторождение (Нижегородская обл.).
Из-за недостаточной изученности и, что и подтвердил наш опыт, необходимости индивидуального подхода к каждому виду ангидритового камня даже в пределах одного месторождения, ниже дается подробное описание технологии получения ангидритового вяжущего из наиболее "сложного" камня Порецкого месторождения.
На первом этапе была подобрана оптимальная удельная поверхность, критерием оценки которой служила минимальная водопотребность (В/А) полученного порошкообразного ангидрита. Помол производили в лабораторной вибромельнице М-10 до удельной поверхности 3,0-9,5 тыс. см2/г (прибор АДП-6).
Определено влияние всех известных и имеющих практическое значение ускорителей твердения ангидрита. Камень измельчался в лабораторной вибромельнице М-10 до удельной поверхности 5,0-5,5 тыс. см2/г, а добавки вводились в виде раствора (растворимые) с водой затворения или предварительно перемешивались с измельченным ангидритом (нерастворимые).
Окончательные усредненные данные по испытанию обеих проб ангидритового камня приведены в таблицах 2.2 и 2.3.
Как следует из приведенных данных, при общей близкой тенденции влияния добавок на схватывание обеих проб ангидрита, отмечено и различие в эффективности их действия. Это наиболее наглядно видно при введении взаимозаменяемых и выбранных в качестве основных для дальнейшей проработки добавок - извести и цемента, едкого калия и сульфата калия. Обнаруженная тенденция подтвердилась и на прочностных характеристиках образцов с этими добавками, которые приведены в табл. 2.4.
Пенообразователи для поризации гипсовых изделий
Как было показано в предыдущей главе, при устройстве тепло- и звукоизоляционных стяжек полов наиболее реальным способом их облегчения является введение технической пены в гипсовый раствор, т.е. получение пеногипса.
Разработка технологии конструкционного пеногипса плотностью 600-1000 кг/м поставила вопросы изучения существующих и разработки новых пенообразователей.
Пенообразователи - это вещества, водные растворы которых способны образовывать пену. Пена имеет сотообразную, полиэдрическую, ячеистую структуры и представляет собой дисперсию газа в жидкости. Подобно эмульсии, пены представляют собой двухфазную / жидкость-газ/,трехкомпонентную систему. Третьим компонентом является поверхностный слой, обогащенный молекулами ПАВ и отличающийся по составу от жидкой фазы. Возникновение поверхностного слоя является следствием положительной адсорбции пенообразователя на границе раздела фаз[ 106].
Качество пены, применяемой в производстве облегченных строительных материалов, определяют по следующим основным свойствам: кратность, стойкость, устойчивость во времени, дисперсность и коэффициент использования.
Кратность пены - отношение объема пены к объему исходного водного раствора пенообразователя.
Стойкостью пены называется ее способность длительное время находиться на воздухе без разрушения. Стойкость пены оценивается величиной разрушения столба пены по высоте или величиной количества пенообразователя, выделившегося из пены за единицу времени. Дисперсность пены характеризуется средним диаметром пузырьков.
Устойчивость пены - это способность пены сохранять первоначальные свойства. Чаще всего об устойчивости пены судят по времени истечения жидкости из разделяющих пузырьки воздуха пленок - синерезис пены. Развитие этого процесса приводит к разрушению пены. Скорость истечения жидкости в свою очередь зависит от вида ПАВ, начальной кратности пены и ее дисперсности, температуры и вязкости раствора. Для замедления синерезиса пены вводят различные стабилизаторы.
Наиболее полной характеристикой технической пены, применяемой для поризации строительных материалов и изделий, является коэффициент ее использования.
Свойства пенообразователя и получаемой из него пены относятся к главным факторам, определяющим технологию производства и свойства готовой продукции. Получение пены с заданными свойствами - чрезвычайно сложная задача.
Пенообразователи для производства облегченных гипсовых изделий должны отвечать ряду требований; не изменять своих свойств в течение длительного времени; обеспечивать требуемую устойчивость пены при смешивании с гипсовым раствором, не замедлять значительно гидратацию и твердение гипсового вяжущего, обеспечивать необходимую прочность изделий.
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают синтетические поверхностно-активные продукты нефтепереработки и нефтехимического синтеза, заменившие в последнее время пенообразователи, вырабатываемые на основе природных органических продуктов (сапониновый, клееканифольный, смолосапониновый, гидролизованная кровь, казенно - канифольный, алюмососульфонафтеновый и другие).
Пенообразователи на основе природных органических продуктов имеют ограниченный срок хранения, сложны в приготовлении, не обладают стабильностью свойств. Главным недостатком пенообразователей такого типа является непостоянство химического состава, что исключает воспроизводимость результатов и строгую дозировку.
Избежать недостатков пенообразователей на основе природных органических продуктов позволяют синтетические поверхностно - активные продукты нефтепереработки и нефтехимического синтеза, производство которых достаточно широко освоено в нашей стране и за рубежом.
В зависимости от свойств, проявляемых при растворении в воде, все ПАВ подразделяются на несколько классов [85] - анионактивные, катионактивные, неионогенные и амфотерные.
Анионактивные ПАВ ионизируются в водных растворах с одной или несколькими функциональными группами, причем поверхностная активность этих растворов определяется образовавшимися анионами, а катионы влияют на растворимость ПАВ. Из большого ряда анионактивных веществ наиболее широко применяются алкиларилсульфонаты и алкилсульфонаты.
Катионактивные ПАВ также ионизируются в водных растворах с одной или несколькими функциональными группами, но поверхностная активность этих растворов обуславливается образовавшимися катионами. Сырьем для катионактивных ПАВ служат амины, получаемые из жирных спиртов и кислот. Представителями катионактивных пенообразователей являются соли алкиламинов с числом атомов углерода в алкильном радикале от 10 до 20 и соли четырехзамещенного аммония с числом атомов от 12 до 18.
Неионогенными называют ПАВ, которые в водных растворах не образуют ионов. Их растворимость зависит от сродства к воде функциональных групп, а поверхностная активность обусловлена дифильным строением молекул. Представителями неионогенных ПАВ являются высокомолекулярные производные целлюлозы, сапонины, лигносульфонаты и другие.
Амфотерные ПАВ могут проявляться по- разному в зависимости от среды. В нейтральной среде они ведут себя как неионогенные, в кислой - как анионактивные, а в щелочной как катионактивные. Из числа выпускаемых ПАВ наиболее распространенными (около 70% от общего объема) являются анионактивные вещества. К ним относятся: сульфанолы -смесь натриевых солей алкилбензосульфокислот - крупнотоннажный продукт нефтехимического синтеза в виде порошка или 45%-ного раствора, со стабильными свойствами и неограниченным сроком хранения; вещество «Прогресс» - смесь солей сернокислых эфиров вторичных спиртов - поверхностно-активный компонент большинства моющих средств; пенообразователь ПО-1 и другие.
Разработка составов для самонивелирующихся стяжек полов
В исследованиях применяли вяжущее из фосфогипса, получаемое на Воскресенском ПО «Минудобрения», которое характеризуется следующими показателями: водопотребность - 33 - 35%, сроки схватывания, мин. - начало - 5 -9, конец - 9 -12, предел прочности при сжатии через 2 часа - 15,0 - 20,0 МПа.
Выбирая пластификатор, мы остановились на известном из литературы диспергаторе НФ, эффективность которого для гипсовых вяжущих довольно высока. Он оказывает значительный пластифицирующий эффект. Так при содержании его 0,1; 0,33 „0,66; 1% от массы вяжущего расплыв раствора по прибору Суттарда увеличивается соответственно следующим образом - 18; 18,5; 29; 32 см. Однако в случае применения «кислого» вяжущего из фосфогипса возникает затруднение - при значительном пластифицирующем эффекте добавки, особенно при содержании ее 0,5 - 1 % от массы вяжущего резко сокращается жизнеспособность растворов. Кроме того, значительно возрастает интервал между началом и концом схватывания, что приводит к пониженной прочности затвердевшего раствора. В связи с этим возникла необходимость вводить замедлитель, который бы увеличивал время начала схватывания и не снижал прочности затвердевшего раствора в ранние сроки.
Из широкой гаммы испытанных замедлителей лучшие результаты были получены при введении триполифосфата натрия. Применение системы диспергатор НФ + триполифосфат натрия оказалось весьма эффективным для регулирования сроков схватывания растворов в широких пределах.
При увеличении дозировки триполифосфата натрия от 0,05 до 0,2% от массы вяжущего начало схватывания увеличивается с 12 до 150 минут. При этом интервал между началом и концом схватывания (что особенно важно для производства) невелик и при дозировке добавки, например, 0,15% составляет всего 10 минут. Однако введение триполифосфата в большом количестве приводит к заметному снижению прочности материала. Поэтому была установлена оптимальная дозировка, которая находится в интервале 0,12 - 0,15% от массы вяжущего.
В ходе исследований определен оптимальный состав плотной самонивелирующейся стяжки, % массы вяжущего: гипсовое вяжущее из фосфогипса - 100, диспергатор НФ - 0,4, триполифосфат натрия - 0,15, вода - 40 -43.
Этот состав характеризуется такими показателями; расплыв по Суттарду более 40 см, сроки схватывания, мин.- начало - 57, конец - 68, предел прочности при изгибе 6,8МПа, коэффициент размягчения 0,45. В результате исследования способов повышения водостойкости растворов наибольший эффект был получен при использовании разработанного во ВНИИСТРОМе вяжущего повышенной водостойкости из фосфогипса. Однако из-за отсутствия его промышленного выпуска была исследована возможность повышения водостойкости стяжек введением органических добавок. Из испытанных добавок наиболее хорошие результаты показало введение динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТУК), которая выпускается промышленностью в сухом виде. Введение этой добавки обеспечивает, помимо повышения водостойкости, ряд других положительных эффектов, что позволяет говорить о ее универсальности. Она оказывает на гипсовые вяжущие пластифицирующее и замедляющее действие. Так при введении добавки 0,3% массы вяжущего увеличивается расплыв раствора от 18 до 31 см, а сроки схватывания (начало - конец_ от 6 -16 до 40 -60.
Однако эффективно содержание добавки до 1%. При введении больших количеств указанные эффекты возрастают незначительно, но заметно снижается прочность стяжки. Оптимальный расход добавки динатриевой соли ЭДТУК - в пределах 0,3 - 0,4% массы вяжущего. Свойства раствора при такой дозировке добавки - расплыв более 30 см, сроки схватывания - начало- 50, конец - 80 - 90 мин., коэффициент размягчения-0,82.
При разработке технологии получения поризованного теплозвукоизоляционного раствора использован опыт производства пеногипса в производстве гипсокартонных листов. Пеногипс для стяжки полов получали по двухстадийной технологии: в гипсовый раствор вводили предварительно приготовленную пену в заданном соотношении «раствор-пена». В качестве пенообразователя использовали 2%-ный водный раствор пенообразователей «Поток» и «ТЭАС», который обрабатывали в пеногенераторе ПГ - 3 .
Оптимальные параметры пены для производства поризованных стяжек: кратность - 10 - 15, устойчивость 30 - 45 мин, дисперсность 50 -200 мкм.
В результате проведенных исследований был установлен состав раствора для поризованной стяжки, кг на 1 мЗ ; гипсовое вяжущее из фосфогипса - 620 - 650, замедлитель схватывания (триполифосфат натрия) - 0,4 - 0,5, вода 250 - 270. К приготовленному по такому составу раствору добавляют около 500 литров пены.