автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицированная добавка бентонитовой глины для штукатурных растворов на основе портландцемента

На правах рукописи.^

Химнч Татьяна Сергеевна

МОДИФИЦИРОВАННАЯ ДОБАВКА БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ ДЛЯ ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 2006

Работа, выполнена В Сибирской государства той : и / а^моб«лш<>-дс»рожнайакадемии : Г;':

11аучпыЯ руководитель 0фиШ1ШШ1Ые ОЛШШеЕТЫ

; Ведущее предприятие

■ кшшидат химически* шук, додент !: Хюшч В-А. N

' .профессор Чернявский ИД :; ; 1«х]шческих наук

■"''} ЛбЫ-ЮВ ВЛ. ' :

ООО }ПЮ Шостовмк» !

. Зшцнт состоит« : "14"декабря .2006 .г.-: » ;. часов на 'засскаиии диссертационного совета ; ДМ 212.298.03 :: прн ■ Южно-Уральском : государственном университете по адресу;- ;.

: г. ; .Челкбинсх,.; ар. Лешш■^жногУральскнй' : государственный -университет, ауд. 100! ■ : :

: С: диссипацией ; можно: ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского '

■ го^дафси^ншгоупивч^тета-

ГГросим Вас гтриняп. участие в яанрпге и направить Ваш отзыв, заверенный : : печать», в двух экземплярах шадресуГ/

■ г..;! Челябинск,': пр.; . Ленина,1:76,::;: Южво-Уралъекий ; государственный : университет, ученому секретарю лиссерташшанога совета ДМ 212.29S.08, ■;

: Автореферат разослан ноября 2006 г.

; Ученый секретарь ■ ■. ■ ^ дксссртациотаого совета, ^ : доктор техническюс наук, »[рофес^ор

:: Б.Я. Трофимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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 Люби некого и суглинок Надеждинского 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-глинянуто композицию.

Известны струсту реформирующие добавки в композиционные материалы, которыми являются тонкодисперсные порошки, состоящие из агрегатов наночастиц (порошки технического углерода в глиняных композициях, порошок карбонитрида титана в композициях на фосфатном вяжущем).

В связи с этим целесообразно изучить действие структурирующих тонко дисперсных 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:

1. Исследовать местное глинистое сырье как добавку к строительному раствору на основе портландцемента для штукатурных работ.

2. Подобрать модификатор - тонкодисперсный порошок - к добавке глины; для чего изучить физико-механические (прочностные и реологические) характеристики и физико-химические свойства (водородный показатель изоэлектрического состояния поверхности) глинистых композиций.

3. Разработать состав модифицированной техническим углеродом добавки глины в портландцемент.

4. Разработать состав штукатурной смеси для обрызга и грунтовки на основе портландцемента с модифицированной техническим углеродом добавкой бентонитовой глины.

5. Исследовать действие порошка-модификагора на эксплуатационные свойства штукатурного раствора на основе портландцемента.

Общая" методика исследований. В работе использовался комплексный подход, аналитические, статистический и экспериментальный методы исследований. Методологической базой исследования послужили работы П.П. Будникова, А .В. Думайского, Л.И. Августинкка, Л.И. Кульчицкого, ГЛ. Книгиной, М.И. Хигеровича, Г.М. Слабышева, ВЛ. Соломатова, ПЛ. Ребиндера, Ю.М. Баженова и других.

В исследованиях применялись современные методы, способы, приборы и оборудование лабораторий ООО «ОмскстроЙЦНИЛ», ИППУ СО РАН, кафедры инженерной экологии и химии, кафедры дорожных и строительных материалов СибАДИ.

Достоверность научных выводов и результатов исследований подтверждается корректностью применения апробированного математического аппарата с привлечением статистических методов обработки результатов экспериментов, согласованностью результатов теоретических положений с данными, полученными автором экспериментальным путем, показателями производственного внедрения, а также проведением экспериментов на современном испытательном оборудовании.

Научная новизна работы состоите следующем: 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 цементно-гли няных композициях, тем самым снижает усадку строительного раствора, повышает его трещиностой кость, увеличивает паропроницае-мость.

Новизна технических решений защищена патентом РФ № 2227079 от 20.04.2004.

Практическая значимость работы: Разработан состав штукатурного раствора ручного нанесения для наружных работ (обрызга и грунтовки) на основе портландцемента с модифицированной добавкой бентонитовой глины. В качестве модификатора добавки используется технический углерод П 161, что позволяет снизить усадку, повысить трещиностойкость и увеличить паропроницаемость затвердевшего штукатурного раствора. Смесь растворная, штукатурная; цементная* М75, ПД 01330 кг/м3, ГОСТ 28013 - 98, опробована на производственном участке ОАО «Омский комбинат строи-• тельных конструкций»,- Промышленное опробование проведено строительной организацией ООО «Мирава».

Апробация работы.

Основные положения работы изложены на межрегиональных научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2001, 2006 гг.); междуна-

родных научно-практических конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (г. Пенза 2001, 2002, 2003 гг.); международных научно-практических конференциях Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск, 2001, 2003, 2005 гг.); 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.)

Публике ции. Основные наложения работы опубликованы в 12 научных статьях и тезисах докладов, включая патент на изобретение № 2227079,

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, приложений на 20 страницах, списка использованной литературы из 121 наименования, 64 рисунка, 43 таблиц. Общий объем диссертации 170 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы. Показаны научная новизна и практическая значимость работы. Дана информация по внедрению и апробации результатов исследования.

Первая глава посвящена аналитическому обзору состояния проблемы. Представлен краткий исторический обзор использования добавок для строительных растворов. Рассмотрен механизм действия и основные области использования добавок для строительных растворов.

Модифицирующие добавки активно влияют на процесс гидратации цемента и на образование цементного камня. Их введение дает возможности управлять технологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами строительных растворов на основе цементного вяжущего.

В данной главе содержится описание глины как добавки в строительные растворы, а именно коллоидная структура и коллоидно-химические (коллоидно-механические) свойства глинистых суспензий, физико-химических и технологических свойств глин в сыром (дообжиговом) состоянии; даны характеристики наносистем (ультрадисперсных систем) и описание ультрадисперсных порошков, а также их использования в качестве добавки к1 композиционным строительным материалам.

Общие вопросы теории регулирования структурно-механических свойств глиняных дисперсий нашли свое отражение в работах А.И. Августин и ка, Л.И. Кульчицкого, Г.В. Куколева; Г.И. Книгикой, В.Ф. Завадского, МЛ. Хигеровича, Г.М. Слабышева и других.

Литературные данные показывают, что вещества в тонкодисперсном состоянии характеризуются развитой поверхностью и обладают высокой поверхностной энергией. Поэтому обладают гидравлической активностью И

хорошо удерживают воду. Отмечено, что при подборе к добавке глины тонкодисперсного порошка необходимо улучшить контролируемые параметры строительных растворов при неизменной пластичности.

• Особое внимание уделено вопросам совершенствования строительных : растворов для отделочных работ природной дисперсной добавкой, которой является глина. Глина используется как природный пластификатор. В качестве модификаторов применяются тонкодисперсные порошки. Технический углерод известен как стру ктуроформиру ющая добавка. Модифицирование техническим углеродом добавки глины может привести к улучшению эксплуатационных характеристик штукатурных цементных растворов по тре-щиностойкости и паропрон ицаемости за счет образования пор в структурной сетке модификатора. -

. . В заключении главы определены цель и задачи исследования.

Во второй главе приведен перечень сырьевых материалов и описание методов исследований.

В экспериментальной части использовались бентонитовые глины Люби некого месторождения Омской области и Уральского месторождения, а также суглинок Надеждинского месторождения Омской области. Химический состав глин Любин ского (Уральского) месторождений в % масс: БЮа— 54,6 % (54,1 %), А1203 -16 % (13 %), Ре20,- 6,26 % (7,21 %), СаО - 6,23 % (5,41 %), МйО - 2,34 % (2,34 %), СОг-3,5 % (4,5 %), К20+Ка20 - 2,21 % (2,44 %), п.п.п. - 12,42 % (И %).

- В качестве модификаторов глин опробованы следующие порошковые материалы:..

1. Порошки, технического, углерода произведены в отделе экспериментальных технологий углеродных материалов ИППУ СО РАН, г. Омск. Порошки различных марок, отличаются структурой и размерами агрегатов (табл.1). Использованы порошки, обработанные поверхностно-активным веществом ОС 20, а также водные суспензии технического углерода марок П 161-1В и П 268 Э-2Э (ТУ 3841536-94). ,

Таблица 1

Физико-химические характеристики технического углерода

Марка технвчес-■ кого углерода Я,я аде., и'/г АДФ, см3/! 00 г (показатель структурности) Вид агрегатов частиц Средний размер агрегатов частиц, нм Технические условия

П161 165 63 Линейные 30 38.41519-91

. П603 . -35 80 \ Линейные 51 3841505-90

11145 115 105 Разветвленные 34 38-11523-83

П 268 Э 232 174 . , Разветвленные 35 38-11591-87

2. Порошок карбоинтрнда титана (Т^СЫ) получек в Рижском институте

неорганической химии .Латвийской Академии наук по технологии плазмо-химического синтеза при Т = 3000 — 5000 К. Частицы с размером 10...30 нм

составляют от 7 до 21 мае. %, с размером 30...90 нм — от 3 до 71 -82 мае. %, с размером 70 ... 90нм —отЗ до 17мас. %.

3. Порошок гидролипидокракнта получен из шлама систем промышленной водоподготовки плазмохнмическим способом в Омском государственном университете. Химический состав: а - Те20}— 55 %, у - Ре^Оз — 14 %, Ре304 - 4,8 %, Ы02 (кварц) - 10 %, ТЮ2 - 1,2 %, СаО - 2 %, К20 - 6 %, М20 — 4 %, Иа^О — 3 %. Порошок имеет игольчатую гексагональную структуру. Средний размер агрегатов частиц по данным электронно-микроскопических исследований составляет 193 км.

Для изготовления стандартных образцов-баночек из цементно-песчаного раствора использовались гтортландцементы марки ГГЦ 400 Иски-тимского (ГОСТ 25328), а также Коркннского, Сухоложского и Невьянского заводов, соответствующие ГОСТ 10178, песок стандартный по ГОСТ 6139 и питьевая вода по ГОСТ 2874.

Для изготовления штукатурных растворов использовали; портландцемент Искитимского завода марки ПЦ 400, обогащенный речной песок из бассейна реки Иртыш, соответствующий ГОСТ 8736 (крупность зерен 0,5 — 2,5 мм), технический углерод марки П 161 (ТУ 38.41519-91), вода по ГОСТ ,23732.

Прочностные свойства модифицированных глин и суглинка исследовались по ГОСТ 3594 «Метод определения предела прочности глин формовочных огнеупорных при сжатии в сухом состоянии». А' каждой серии экспериментов испытывал ся образец глины без добавки Модификатора — стандартный образец. Рассчитывался процент отклонения прочности образцов с добавкой модификатора от прочности стандартного образца.

Изучение реологических свойств модифицированных глинистых систем, проводилось на цилиндрическом ротационном вискозиметре РЕОТЕСТ 2.1. Были приготовлены 50 %-ная суспензия суглинка и 20 %-ная суспензия бентонитовой глины, в которые затем добавляли тонкодисперсные порошки в количестве от 0,01 до 0,1 % (через 0,02 %) и от 0,1 до 1,0 % (через 0,2 %). Определение водородного показателя изоолектрического состояния поверхности компонентов глинистых композиций проводили с помощью рН-метра марки ЭВ -71. Определения коллоидальности модифицированных глинистых систем проводили по ГОСТ 3594-10 «Глины формовочные. Определение коллоидальности».

Электронно-микроскопические исследования модифицированных глинистых композиций проводили на электронном микроскопе ЭМ-125 с разрешающей способностью 0,5 нм. Перемешивание порошков проводили в течение 15...20 минут в магнитной мешалке или шаровой мельнице. Забор и перенос пробы на медную сетку осуществлялся с помощью стеклянного капилляра или методом втирания. При исследовании суспензий контакт компонентов (глинистое сырье, тонкодисперсные наполнители, вода) составлял от 30 до 60 минут.

Испытания цементного вяжущего проводились по ГОСТ 310Л-310.4. Свойства строительных растворов определялись по ГОСТ 5802. Адгезионная прочность строительных растворов определялась по ГОСТ 28089.

Третья глава посвящена исследованию структурно-механических свойств глинистых композиций, модифицированных добавками тонкодисперсных порошков.

В разделе предсгаалены результаты исследований влияния тонкодисперсных порошков на свойства бентонитовой глины и суглинка. Были исследованы глиняно-песчаные композиции с содержанием тонкоднс-персных порошков от 0,01 до 1 % от массового содержания глины. Процентное содержание выбрано в соответствии с патентными исследованиями по изменению технологических свойств образцов глин при введении в них тонкодисперсных порошков. Для выявления оптимальных структур системы «модификатор — глина» исследовалось структурночуствнтельное свойство • прочность. На основе экспериментальных данных было доказано, что тонкодисперсные порошки изменяют прочность глиняно - песчанных композиций. -

Установлено, что добавка технического углерода марки П 161, в интервале концентраций от 0,01 — 1 % повышает прочность до 37 % (рис.1). Повышение прочности образцов глинянно-песчанных композиций наблюдается также в случае модифицирования их техническим углеродом марки П 603, гидролкпидокракитом (БегОз) и водной суспензией на основе технического углерода марки П 161 (1В). По прочностным свойствам н минимальному коэффициенту вариации были выбраны в качестве модификаторов порошки технического углерода марок П 161 и П 603, а также Ре^Ог и 1В. Все эти тонкодисперсные порошки имеют линейную структуру агрегатов частиц.

«о •

| 40 ■ I 35 •

В 30' И10

М : Г6;.......................................

<Ш «.03 0.05 «.07 0.09 0.1 0.1 0,5 «Л 0,9 1 Содержание технического углерода, V*

Рис.1. Отклонение предела прочности композиции «бентонитовая глина—песок» с добавкой технического углерода марки П 161 от стандартного образца

По изучению реологических свойств глинистых суспензий с добавками тонкодисперсных порошков выявлено, что выбранные модификаторы не изменяют течения реологических кривых глинистой суспензии, так как образуют с ней однородные структуры (рис.2). Полученные результаты доказывают, что характер кривых деформаций для всех исследуемых композиций одинаков я отвечает поведению неньютоновскнх жидкостей. С увеличением скорости сдвига вязкость незначительно уменьшается, а сдвигающее напряжение увеличивается. Уменьшение вязкости зависит от концентрации модификатора. Это объясняется тем, что тонкодисперсные порошки участвуют в формировании коагуляционных структур. Увеличение вязкости, а значит структурированности систем, наблюдалось в глинистых суспензиях, модифицированных техническим углеродом П 161, обработанным поверхностно-активным веществом ОС 20, и техническим углеродом П 603. Результаты по возрастанию структурированности системы при ее лиофили-зацни (П 161, ОС 20) коррелируют с увеличением прочностных характеристик глиняных композиций. Вязкость суспензий при введении технического углерода марки П 161 практически сохранялась (рис. 2).

т), иПас ...........................................................

10000 1000

100

10 1

1 10 100 1000 10000

Dr,c-l

Рис.2. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига суспензии бентонитовой глины с 1% модификатора:

1) бентонитовая глина;

2) бентонитовая глина с техническим углеродом маркиП 161;

3) бентонитовая глина с техническим углеродом марки П 603;

4) бентонитовая глина с Fe20};

5) бентонитовая глина с техническим углеродом марки П 161, обработанным ПАВ OC-2Ü;

6) бентонитовая глина el В.

Исследования кислотно-основных свойств поверхности бентонитовой глины и тонкодисперсных порошков - модификаторов показали, что водородные показатели из ©электрического состояния поверхности бентонитовой глины и тонкодисперсного порошка находятся в слабощелочной области

(для технического углерода марки П 161 рН = 8,1; для бентонитовой глины рН=8,0) и практически совпадают. Следовательно, технический углерод марки П 161 совместим по рН с добавкой бентонитовой глины (рис. 3). Для технического углерода П 603 водородный показатель нзоэлектрического состояния поверхности равен 6,6. Поэтому между ним и бентонитовой глиной , возможно кислотно — основное взаимодействие, которое приводит к агрегации частиц, т.е. к уменьшению дисперсности системы. Кислотно-основным взаимодействием можно объяснить повышение вязкости суспензии в случае использования в качестве модификатора бентонитовой глины порошка технического углерода марки П 603.

/

í .

2 ^

Рис. 3. Определение рН изоэлектрического состояния поверхности: 1) технический углерод маркиШ 61;

2) бентонитовая глина.

Таким образом, тонкодисперсные порошки — технический углерод марки П 161, гидролипидокракит, а также водная суспензия технического углерода марки П 161-1В могут быть использованы в качестве модификаторов глины. Модифицирующий эффект действия порошков объясняется следующим. Как показывают данные электронно-микроскопических исследований технический углерод марки П 161 адсорбируется на частицах глины, за счет орто-кинетнческой коагуляции, и при перемешивании способствует лучшему диспергированию глины в композиции. Агрегаты из частиц тонкодисперсных порошков в объеме композиций образуют пространственные сетчатые структуры. Оптимальные структуры порошков обеспечат более равномерное распределение рыхлой сетей агрегатов в объеме.

Одним из возможных направлений использования бентонитовой глины является ее применение как вяжущего. По результатам исследований была предложена формовочная смесь на основе бентонитовой глины с добавкой модификатора технического углерода марки П 161 для разовых литейных форм (патент на изобретение РФ №2227079). 'Обработка гидрофобной поверхности образцов технического углерода специально подобранными ПАВ (ОС 20) к придания им гидрофильных свойств, привела к последующему увеличению прочностных свойств глиняйой композиции,

В четвертой главе приведены результаты выбора оптимального состава добавки глины модифицированной тонкодисперсными порошками.

Добавки глины с модификаторами были опробованы в портландцементом вяжущем.

Количество добавки составляло 5 — 15 %. Количество модификатора составляло 0,5 % от массы добавки глины. Добавка глины выбрана по СП 52-101-98, а количество порошка - это среднее количество из экспериментальных данных по подбору модификатора (0,1 % - 1,0 %) при максимальном приросте прочности. Для портландцементпого вяжущего с модифицированной добавкой измеряли следующие показатели: нормальную густоту, сроки схватывания (рис. 4,5,6).

Причина увеличения нормальной густоты связана с увеличением водопо-требности при добавлении тонкодисперсного порошка.

1

а

О 2 ' 4 в в 10 12 14 16 Содержание бенгонытоной глккы,

Рис.4. Зависимость нормальной (усготы портланд-цементного вяжущего от процентного содержания бентонитовой глины: 1) бентонитовая глина; 2) бентонитовая глина с техническим углеродом марки П 161; 3) бентонитовая глина с РегОз; 4) бентонитовая глина с 1В.

Из рис. 5,6 видно, что при введении добавки бентонитовой глины начальные строки схватывания увеличиваются, так как она образует коагуля-ционные структуры и замедляет взаимодействие цемента и воды. При добавлении модифицированной бентонитовой глины начальные и конечные сроки схватывания изменяются, так как на процессы структурообразования оказывают влияние тонкодисперсные порошки. Следовательно, при добавлении модифицированной глины можно варьировать показатели нормальной густоты и сроки схватывания.

Данные по измерению нодопоглощения (табл. 2) показывают, что для всех строительных растворов с добавками бентонитовой глины и суглинка, а также с модифицированными добавками, снижаются значения величин к проектному возрасту. Это можно объяснить уплотнением структуры компо-

зиций в процессе их твердения. Тонкодисперсные порошки технического углерода марки П 161 и гидролипндокракита Рс2Оз незначительно увеличивают водопоглощение, в отличии от суспензии 1 В, и, следовательно, могут быть опробованы в качестве модификаторов. Так как гидролипидокракит получают более дорогостоящим способом, все последующие исследования проведены с техническим углеродом; '

Содоайнисбогтоннгаюй №Н14- %

Рис.5. Зависимость начальных сроков схватывания порглацдцементного вяжущего от процентного

содержания бентонитовой глины: 1) бентонитовая глина; 2) бентонитовая глина с техническим углеродом марки П 161; 3) бентонитовая глина с Ре203; 4) бентонитовая глина с 1В.

Рис.6. Зависимость конечных сроков схватывания портландцементного вяжущего от процентного

содержания бентонитовой глины: 1) бентонитовая глина; 2) бентонитовая глина с техническим углеродом марки П 161; 3) бентонитовая глина с Ре^О^; 4} бентонитовая глина с 1В.

Таблица 2

Показатели водопоглощення строительных растворов

№ Портландцемент с добавкой" Моднфика-тор Водологлощение, %

3 сут. 7 сут. 14 сут. 21 сут. 28 сут.

1 Суглинок 5% 4 3 2 4 4

2 Суглинок 10% - 2 2 3 3 3

3 Суглинок 15% - 2 1 1 1 2

4 Бентонит, гл. 5% - 8 6 3 3 2

5 Бентонит, гл. 10% • 9 6 3 2 2

6 Бентонит, гл. 15% • 11 3 1 2 2

7 Суглинок 5% П 161 14 и 8 1 2

8 Суглинок 10% П 161 8 6 3 1 2

9 Суглинок 15% П 161 8 7 3 1 4

10 Суглинок 5% Ре203 9 6 4 2 4

11 Суглинок 10% Ре50, 8 7 5 2 3

12 Суглинок 15% Ре203 6 4 4 2 4

13 Суглинок 5% 1В 14 10 6 4 7

14 Суглинок 10% 1В 11 9 5 4 5

15 Суглинок 15% 1В 10 9 4 3 4

16 Бентонит.гл. 5% П 161 10 9 6 3 6

17 Бентонит, гл. 10% П 161 11 9 6 4 3

18 Бентонит.гл. 15% П 161 12 5 - 3 1 3

19 Бентонит, гл. 5% Ре203 8 6 4 3 2

20 Бентонит.гл. 10% Р^зОз 10 12 6 4 2

21 Бентонит, гл. 15% РепО) 11 8 4 4 5

22 Бентонит, гл. 5% Ш 9 12 10 7 5

23 Бентонит, гл. 10% Ш 8 9 7 6 4

24 Бентонит, гл. 15% 1В 16 16 10 10 I 8

Примечание: * - отношение «лортладацемент: песок» составляло 1:3;

«♦ - количество модификатора составляло 0,5 % от массы добавки глины

Добавка глины с выбранным модификатором исследовалась в порт-ландцементном вяжущем. Были исследованы строительные растворы с 10 % - ным (среднее значение добавки) содержанием бентонитовой глины и суглинка с количеством модификатора — технического углерода марки П 161 -1,2,3 % от массы глины. Концентрация модификатора была увеличена до 3 %, потому что при внесении добавки глины в портландцементное вяжущее часть модификатора распределяется в объеме цемента. Измерялись показатели нормальной густоты, сроки схватывания для портландцементного вяжущего с добавками. Измерялись величины водопоглощения, прочности при сжатии и плотности в возрасте 3, 7, 14, 28 суток для строительного раствора (отношение «портландцемент : песок» составляло 1 : 3). Результаты испытаний показывают (табл. 3), что нормальная густота с увеличением ко-

личества модификатора в добавке глины, возрастает. Начальные сроки схватывания также возрастают, что позволяет улучшить «живучесть» системы.

Адгезионная прочность композиций с модифицированной бентонитовой глиной выше, чем у композиции с модифицированным суглинком (табл. 4). Поэтому модифицированную добавку бентонитовой глины использовали для улучшения эксплуатационных свойств штукатурных растворов на основе портландцемента.

Добавку брали в количестве 5 — 15 % от массы вяжущего, а модификатор в количестве 0,5 — 3 % от массы глины. Для растворной смеси определялись следующие показатели: подвижность, расслаиваемость, водоудержи-вающая способность (табл. 5), для строительного раствора • во до поглощение, прочность при сжатии (табл. 6).

При использовании добавки бентонитовой глины, модифицированной техническим углеродом, улучшаются основные свойства растворной смеси. Водоудерживающая способность возрастает до 99 %, соответственно расслаиваемость снижается до 1%.

Таблица 3

" Показатели нормальной густоты, сроков схватывания ...'■ портландцементного вяжущего с модифицированной добавкой н пока-

зателиводопоглощення строительного раствора

* Портландцемент, % ■ Бентонит. гл., К Суглинок, % П161, % НГ, % Сроки схват., мин. Водопоглощенис, %, через кол-во суток

Нач. Кон. 7 14 21 28

1 100 10 - 1 35^5 155 255 5 5 3 3

2 100 10 2 37,5 170 275 5 5 3 3

3 100 10 ■ ■ - ■ 3 40т0 180 290 5 7 5 4

4 100 - 10 1 32,5 165. 255 6 5 4 3

5 100 - ■ 10 2 33,5 165 255 10 7 5 4

6 100 10 3 ' 35,0 155 250 10 7 5 5

Таблица 4

Показатели адгезионной прочности строительного раствора

ЛЙ Портландцемент, % Бентонит, гл., % Суглинок, % П 161,% Я^МПа

1 100 - 0,30

2 ' 100 10 ' - 0,50

3 100 10 - 1 . 0,50

4 100 10 - 2 . 0,50

5 100 10 - 3 0,30

6 100 - 10 1 0,09

7 100 - 10 2 0,10

8 100' - 10 3 0,10

Таблица 5

Основные свойства растворной смесн

№ Портландцемент Бентонит. гл. П 161 КГ Сроки схват. (цач.-кон.) Под-виж-. ность Водо-пот-ревность. Плотность . Р " Водоу-держив. способность Расслаивав-мость

% % % % мин мм .. : г г/см* % %

1 100 5 0 31 135-215 135 218 1,45 91 9

2 100 5 0,5 32 135-215 135 ■ 218 1,45 91 9

3 100 5 1 32 140-225 130 220 1,43 92 8

4 100 5 2 33 150-240 120 225.. 1,41 93 7

5 100 5 3 35 155-250 116 228 1,39 93 7

6 100 10 0 33 140-230 128 223 1,40 . 93 7

7 100 10 0,5 35 145-230 125 • 225, 1,39 95 5

8 100 10 1 36 ,155-250 120 228 „; 1,37 .:. 96 4

9 100 10 2 38 170-275 ПО ■235.- 1.36 ; 99 1

10 100 10 3 40 180-290 100 242 1,33 98 2

11 100 15 0 35 150-250 110 230 1,36 95 5

12 100 15 0,5 39 155-255 107 233 1,35 96 4

13 100 15 1 41 170-275 100 23? , 132 ' 97.. 3

14 100 15 2 43 190-295 90 243 1,30 .98 1 2

15 100 15 3 44 200-310 70 250 " 1,26 1

Таблица б

Основные свойства затвердевшего материала

№ Портланд- цемент % Бентонит, . гл., % П161, % 'Л „28 р Ч г/см МПа и м МПа XV, %

7 28

1 100 5 0 1,40 1,3$ 4,7 7,8 2 4

2 100 5 0,5 1,40 1,38 5,3 8,0 2 5

3 100 5 1 1,40 1,37 5,7 8,8 2 4

4 100 5 2 1,39 1,37 5,1 8,0 3 4

5 100 5 3 1,38 1,36 4,6 7.6 3 5

6 100 10 0 1.35 1.34 4,5 7.5 3 5

7 100 10 0,5 1,35 1,34 5.4 8,5 3 3

8 100 10 1 1,35 1,33 4,9 8,1 4 3

9 100 10 2 1,34 1,33 4,9 8,0 4 4

10 100 10 3 1,34 1,32 4,7 8,0 4 4

11 100 15 0 1,31 1,30 4,6 V 3 6

12 100 15 0,5 1,30 1,29 5,2 ' 8,3 3 4

13 100 15 1 1,29 1,27 5,0 8,3 4 3

14 100 15 2 1,29 1,27 4,3 7,0 5 5

15 100 15 3 1,28 1,26 4,0 6.5 5 6

Испытаны составы строительного раствора: вяжущее - портландцемент —100 %; добавка — бентонитовая глина—5 -15 %; ' модификатор— технический углерод марки П 161 —0,5 — 3 %. Для указанных составов:

- марка растворной смеси по подвижности: Пк4 - Пк8; -расппыв конуса на встряхивающем столике, мм: 190 — 280;

- глубина погружения конуса, см: 1-7 ;

- водоудерживающая способность, %: 90-99; -расслаиваемость, %: 1-10;

- марка (класс) раствора по прочности: М50, М75;

- прочность в возрасте 28 сут, МПа: 6,5 — 8,7;

- адгезионная прочность, МПа: 0,3 — 0,5.

Для выбора оптимального состава брали следующие показатели:

1) подвижность;

2) водоудерживающую способность;

3) расслаиваемость;

4) прочность в возрасте 28 суток.

Для расчета принимали максимальные значения подвижности и водо-удерживающей способности, минимальное значение расслаиваемости, прочность — 7,0 МПа и более.

Математическая обработка данных по уравнениям регрессии с использованием методов оптимизации позволила определить оптимальный состав смеси для штукатурных работ при отношении Ц : П равном 1:3. Штукатурный состав включает: вяжущее (портландцемент M 400)— 100 H; бентонитовая глина — 10 % (от массы цемента); модификатор (П 161) — 2% (от массы бентонитовой глины). В пересчете на композицию: Портландцемент — 24 %. " Песок — 73 %. Бентонитовая глина — 2,4 %. Технический углерод марки П 161 —0,6%.

Эксплуатационные характеристики штукатурной смеси оптимального состава следующие: Марка растворной смеси по подвижности: Пк3. Расплыв конуса, мм: 260. Глубина погружения конуса, см: б. Водоудерживающая способность, %: 99. Расслаиваемость, %; I. Марка (класс) раствора по прочности: М75. Прочность в возрасте 28 сут, МПа: 8,0. Адгезионная прочность, МПа: 0,5. Марка по морозостойкости: F100.

Дня оптимального состава измерена воздушная усадка штукатурного раствора, которая к проектному возрасту составила 0,2 мм/м (образец штукатурного раствора с немодифицированной добавкой глины имел усадку 0,7 мм/м), Трещиностойкость оценивалась визуально. Отсутствие трещин на штукатурном покрытии фиксировалось 1,5 года. Паропроннцаемость строительного раствора составила 0,126 мг*ч*Па/мг. Она в 1,4 раза выше по сравнению с паропроннцаемостью бездобавочного раствора. Морозостойкость штукатурного раствора оптимального состава составила 100 циклов. Факт снижения деформации усадки и повышения трещиностойкости штукатурного раствора на основе портландцемента с модифицированной добавкой глины объясняется образованием пространственной армирующей сетки из агрегатов технического углерода (данные электронно-микроскопических исследований).

Процесс перемешивания тонкодисперсных наполнителей (глины, технического углерода) с водой при приготовлении растворной смеси сопровождается воздухововлечением, Приводящим к образованию открытых и закрытых пор. Это является одним из факторов, объясняющих значения величии плотности, • водопоглощения, ларопроницаемости, морозостойкости разработанного штукатурного раствора.

Данные ртутной порометрин показывают, что в строительном растворе, модифицированном добавкой бентонитовой глины с техническим углеродом марки П 161, увеличиваются радиусы пор порядка 100 нм и выше, которые преимущественно определяют паропроницемость цементного камня. Строительный раствор на основе портландцемента с добавкой бентонитовой глины в количестве 10 % имеет средний радиус пор 77 нм. При введении модификатора П 161 в количестве 2 % от массы глины средний радиус пор составляет 379 нм. Дальнейшее повышение количества модификатора до 3 % вызывает уменьшение среднего радиуса пор до 99 им. Увеличением количества замкнутых воздухонаполненных микропор в объеме штукатурного раствора может быть объяснена его морозостойкость.

В табл.7 приведены показатели свойств разработанной смеси растворной, высокопластичной, штукатурной, цементной, М75, П„3, . О 1330 кг/м3, ГОСТ 28013 - 98, для наружных работ в сравнении с показателями смеси с немодифицированной добавкой глины. --¡,.

Штукатурка не дает трещин. Растворная смесь обладает лучшей пластичностью и удобоукладываемостью. Удобоукладываемость улучшается благодаря введению; в композицию добавки бентонитовой глины. Увеличение водоудерживающей способности и снижение рассланваемости 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.

Таблица 7

Показатели свойств штукатурной смеси _

Показатели свойств Значения фактические штукатуркой смеси с не-модифицированной добавкой глины .Значения фактические штукатурной смеси с модифицированной добавкой глины . 3 начеши нормативные ГОСТ 28013-98, СНиП 3.04.01-87

О Растворная смесь

Подвижность, марка П.З п„з .. Л^-ДД

Средняя плотность, кг/м3 1400 1360 1500 и менее

Расслаиваемость, % 7 1 .. Не более 10

Водоудерживающай' способность, % 95 99 Не менее 90

2) Затвердевший раствор

Прочность, марка М50 М75 М4-М200

Средняя плотность." кг/м1* . 1340 1330 1500 и менее

Марка по морозостойкости Р25 Р100 Р4 - Р200

Адгезионная прочность, МПа 0.3 0,5 0,4

В пятой главе рассмотрены вопросы практического применения результатов диссертационной работы.

Штукатурный раствор для наружных работ опробован на производственном участке ОАО «Омский комбинат строительных конструкций». Представлена технология производства штукатурной смеси на основе до' бавки глины модифицированной тонкодисперсным порошком технического углерода марки П161.

В этой части диссертационной работы приведена технологическая схема, нормы расхода сырьевых материалов, которые соответствуют требованиям СП 82-101-98, разработанным в развитие ГОСТ 28013; указаны параметры контроля поступающих материалов и готовой продукции; указаны экспресс - методики определения расслаиваемости растворной смеси и сцепления Штукатурной смеси с основанием.

По результатам производственных испытаний был сделан вывод о соответствии свойств штукатурного раствора, модифицированного разрабо-" ~ тайной добавкой глины с тонкоднсперсным порошком марки

П 161, нормативным требованиям, предъявляемым к физико-техническим свойствам строительных растворов. Экономический эффект достигается за " : '¿чет'сокращения сроков межремонтных работ по восстановлению оштука-" туренных стен.

■ в этой часги диссертационной работы перечислены перспективные на-1" правления дальнейших исследований. Основные из них; расширение сырьевой базы,' снижение количества модификатора в системе. Расширение но'' ' менклатуры'модификаторов, физико-химическая модификация поверхности наполнителя..

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана добавка модифицированной бентонитовой глины для высококачественных цементных штукатурных растворов, отличающихся высокой водоудерживающей способностью (до 99%), хорошей удобо-укпадываемостью, отсутствием расслаиваемости: и деформаций при

• твердении (усадка менее 0,05%). v

2. Исследовано действие порошка-модификатора на свойства цементного штукатурного раствора с добавкой бентонитовой глины. Установлено,

: что порошок*модификатор П 161 образует армирующую сетку в объеме цементного камня, что предотвращает деформации цементного.камня с добавкой бентонитовой глины.

3. Результаты электронно-микроскопических исследований и измерений ртутной порометрии указывают, что ведение порошка г модификатора . П 161 в штукатурную смесь вызывает увеличение, радиуса пор уровня выше 100 нм. Раствор портландцемента с бентонитовой глиной имеет радиус пор 77 нм, с модифицированной глиной — 397 нм. Этот факт объясняет увеличение паропроницаемости затвердевшего цементного камня в 1,4 раза.

4. В качестве структурирующих модификаторов бентонитовой глины испытаны тонкодисперсные порошки, агрегаты которых состоят из нано-частиц: порошки карбонитрида титана (TiCN), гидролипидокракита (Ре20з), технического углерода марок П 603, П 145, П 161, П 268Э. Установлено, что порошки, имеющие линейную форму агрегатов частиц, улучшают прочностные свойства рассмотренных композиций. Порошок

• П, 161 увеличивает прочность глнияно-песчаной композиции в среднем на 19-27%.

5. Установлено, что порошки Ре^Оз, П 603 в количестве от 0,1 до 1 % (по массе) увеличивают вязкость глинистых суспензий на 6 мПа и 2,7 мПа соответственно. Порошок П 161 не изменяет вязкость глинистой суспензии и почти не уменьшает подвижность штукатурной растворной смеси.

6. Показано, что поверхности П 161, FejOj и бентонитовой глины в водной среде имеют слабощелочную реакцию (рН=8,0-8,1). Это обуславливает отсутствие химического кислотно-основного взаимодействия между порошками — модификаторами и добавкой бентонитовой глины. Следовательно, порошок-модификатор слабо Блияет на подвижность штукатурной растворной смеси.

7. С использованием математической обработки полученных данных оп-. ределен оптимальный, с точки зрения технологических и эксплуатационных свойств, состав модифицированной-добавки для штукатурного раствора: бентонитовая глина Люби некого месторождения — 98 %, технический углерод марки П 161—2 %. -

В результате разработанной добавки получена смесь растворная, штукатурная, цементная, высокопластичная, для наружных, работ, М. 75, П,3, D 1330 кг/м1, с морозостойкостью FIOO.

Основные положения диссертации представлены в следующих опубликованных работах:

1. Хомич ВЛ-, Седельников В.В., Химич Т.С. Осциляции изменения прочностных свойств глинистых систем под воздействием улътрадисперсных порошков // Вопросы планировки и застройки городов: Материалы VIII Международной научно-практической конференции. — Пенза: 111 АСА, 2001.-С. 120-121.

2. Хомич В А., Седельников В .В., Химич Т.С. Особенности влияния ультрадисперсных порошков на свойства твердеющих глинистых систем // Труды НГАСУ.-Новосибирск: НГАСУ, 2001. Вып. 4 (15)-С. 167-170.

3. Хомич В .А., Химич Т.С., Прокопец B.C. Модифицирование прочностных характеристик затвердевших композиций «суглинок — песок - вода» ультрадисперсными порошками // Повышение качества материалов дорожного и строительного назначения: Сборник научных трудов СнбАДИ. — Омск: СибАДИ, 2001,-С. 107-112.

4. Химич Т.С., Хомич В.А. Реологические свойства глинистых композиций, модифицированных добавками УД! 1 // Вопросы планировки и застройки городов: Материалы IX Международной научно-практической конференции. — Пенза: ПГАСА, 2002. — С. 161-163. '

5. Хомнч В .А., Химич Т.С. Модифицирование глинистого сырья добавками технического углерода // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура: Материалы международной научно-практической конференции. - Омск: СнбАДИ, 2003. -К.2, - С. 271-272.

6. Химич Т.С. Сырьевая формовочная смесь на основе бентонита // Вопросы планировки и застройки городов: Материалы X Международной научно-практической конференции. — Пенза: ПГАСА, 2003.—С. 284-285.

7. Химич Т.С. Структурно-механические свойства глинистых композиций // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - Томск: ТГАСУ. - М>2. - 2003. - С. 81-86.

8. Патент на изобретение. Формовочная смесь для приготовления разовых литейных форм и способ ее получения. В.А.Хомич, Т.С.Химич, В.В.Седельников. - №2227079 от 20 апреля 2004 года.

9. Хомич В.А., Химич Т.С., Эмралиева С А. Направления по использованию черных и белых саж в глиняных и цементных композициях // Качество. Инновации. Наука. Образование: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию образования СибАДИ. — Омск: СибАДИ, 2005. - С. 273.

10. Хомич В.А., Химич Т.С., Эмралиева С.А. Функции черных и белых саж в глиняных и цементных композициях // Современные проблемы строительного материаловедения: Вестник БГТУ им; ВТ. Шухова. — Белгород: БГТУ. - Jfe 9. - 2005. - С. 245-247.

11. Хомич В.А., Химич Т.С. Улучшение эксплуатационных свойств цементных растворов добавкой бентонитовой глины // Тезисы докладов 63 научной

конференции Новосибирской архитектурно- строительной академии. — Новосибирск: СибСТРИН, 2006. - С. 24.

12. Хомнч В.Л., Хнмич Т.С., Эмралиева С.А. Улучшение эксплуатационных характеристик штукатурных составов на основе портландцемента тонкодисперсными добавками // Омский научный вестник. — № 6(41).-С. 77-79.

Подписало г печати 13.11.2006 г Формат 60*34 1/16. Бумага писчая. Отпечатано на дуплнкэгоре. Усл. пл. 1,28;уч-изл л. 1,22. Тираж 100. ЗаказЩ

ПОУМУСнбАДИ. 644080, г, Оыетс, пр. Мире, 5.