автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эффективные штукатурные растворы с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий

На правах вукописи

ПАШКЕВИЧ Станислав Александрович

ЭФФЕКТИВНЫЕ ШТУКАТУРНЫЕ РАСТВОРЫ С ДОБАВКОЙ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ИЮН 2072

Москва 2012

005045683

005045683

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- кандидат технических наук, доцент Пустовгар Андрей Петрович

— Давидюк Алексей Николаевич, доктор технических наук, ОАО «Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона», генеральный директор.

Ведущая организация

— Пуляев Сергей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, начальник Управления организации учебного процесса (УОУП) ФГБОУ ВПО «МГСУ»

- ГУП «НИИМосстрой»

Защита состоится «19» июня 2012 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д.212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, телестудия «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « » МС/с$ 2012 г.

Ученый секретарь /р Алимов Лев Алексеевич

диссертационного совета

Актуальность работы.

Обеспечение высокого уровня качества фасадных работ с применением штукатурных растворов ограничивает их применение в зимних условиях, ввиду риска замерзания свежеуложенного раствора. Использование противоморозных добавок электролитов в составах штукатурных растворов приводит к возникновению и развитию процессов высолообразования на поверхности фасада.

Решение вопроса создания эффективных штукатурных растворов для производства фасадных работ в зимний период может быть осуществлено путем введения в них добавки низкомолекулярного полиэтиленоксида, с низкой температурой замерзания водных растворов и отсутствием процессов высолообразования.

Работа выполнена в соответствии с Государственным контрактом на выполнение научно-исследовательских работ №16.552.11.7025 от 29 апреля 2011 года по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием «ГР ЦКП МГСУ» поисковых научно-исследовательских работ в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является получение эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать возможность применения низко молекулярного полиэтиленоксида в качестве противоморозной добавки для штукатурных растворов.

2. Исследовать влияние низкомолекулярного полиэтиленоксида на физико-механических свойства штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

3. Исследовать влияние низкомолекулярного полиэтиленоксида на процессы гидратации и структурообразования цементного камня штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

4. Получить составы эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий.

5. Разработать рекомендации по применению эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида при пониженной положительной и отрицательной температуре.

6. Провести опытное внедрение полученных эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида и оценить технико-экономический эффект внедрения.

Научная новизна.

1. Обоснована возможность получения эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий за счет снижения температуры замерзания жидкой фазы и создания условий гидратации портландцемента при пониженной положительной и малой отрицательной температуре, с образованием плотной структуры цементной матрицы, обеспечивающей высокие эксплуатационные характеристики растворов.

2. Получены многофакторные математические зависимости физико-механических свойств штукатурных растворов от температуры твердения и молекулярной массы низкомолекулярного полиэтиленоксида для оптимизации его дозировки в составе штукатурных растворов.

3. Методами рентгенофазового и микроструктурного анализа установлено, что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного полиэтиленоксида обеспечивает высокую гидратационную активность трехкальциевого силиката.

4. Методами электронной микроскопии и эталонной порометрии установлено, что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного полиэтиленоксида способствует формированию плотной поровой структуры.

Практическая значимость.

1. Разработаны составы эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для применения при температуре (+5...-10)°С, со следующими характеристиками: средняя плотность 1460 кг/м3, сроки сохранения подвижности 40...50 мин., марка по морозостойкости Б75, предел прочности сцепления с утеплителем не ниже 0,1 МПа, предел прочности на растяжение при изгибе не ниже 3,5 МПа, предел прочности при сжатии не ниже 9,5 МПа.

2. Разработан технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида в зимних условиях.

3. Разработана методика определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

4. Разработана методика проведения натурных испытаний штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-практических конференциях:

1. Всероссийская конференция «III Академические чтения «Актуальные вопросы строительной физики», посвященные памяти академика Г.Л. Осипова» (г. Москва, НИИСФ РААСН, 5-7 июля 2011 г.).

2. Международная конференция «ВаШгшх-2011» (г. Владимир, 16-18 августа 2011г.).

3. Международная конференция «Российские дни сухих строительных смесей - 2011» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 28-29 ноября 2011 г.).

4. На заседании кафедры «Строительство ядерных установок» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 13 марта 2012 г.).

Внедрение результатов исследований.

На основании исследований был разработан технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида в зимних условиях.

Полученный эффективный штукатурный раствор с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида был использован при устройстве базового штукатурного слоя в составе системы фасадной теплоизоляции композиционной с наружными штукатурными слоями на объектах:

1. 1-я Градская больница, расположенном по адресу: г.Москва, Ленинский проспект 8, корп.8, в период с 10.01.2012 г. по 13.01.2012 г. Объем внедрения составил 35 м2. Экономический эффект от внедрения составил более 50 тысяч рублей.

2. Жилой дом (5 этажей), расположенном по адресу: Московская область, Клинский район, городское поселение Клин, г.Клин, ул. Ленинградское шоссе д.52/1 в период с 16.01.2012 г. по 20.01.2012 г. Объем внедрения составил 135 м2. Экономический эффект от внедрения составил более 200 000 рублей.

На защиту выносятся

1. Обоснование возможности получения эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий.

2. Методика определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

3. Зависимость физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре, от молекулярной массы низкомолекулярного полиэтиленоксида.

4. Многофакторные математические зависимости физико-механических свойств штукатурных растворов от температуры твердения и молекулярной

массы низкомолекулярного полиэтиленоксида для оптимизации его дозировки в составе штукатурных растворов.

5. Состав эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий.

6. Результаты микроструктурного и порометрического анализа штукатурных растворов.

7. Результаты опытного внедрения полученных эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, и 6 приложений. Работа изложена на 161 странице текста, иллюстрирована 64 рисунками, имеет 64 таблицы и 27 графиков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время накоплен значительный опыт применения противоморозных добавок в бетонах, твердеющих в зимних условиях. Введение добавок электролитов способствует процессу формирования плотной структуры цементного камня. Это объясняется тем, что процесс льдообразования в бетонах с добавками электролитов образуется постепенно, по мере понижения температуры, вследствие образования двойных солей гидратов. Кроме того, лед в бетоне с электролитами менее прочный и плотный, чем в обычном бетоне, и водные растворы солей замерзают с меньшим увеличением объема. Оптимальная дозировка электролита зависит от температуры бетонной смеси и скорости ее охлаждения (т.е. массивности конструкции). Таким образом, эффективность электролитов при пониженной положительной и малой отрицательной температуре напрямую зависит от термодинамики процесса гидратации цемента.

Отличительной особенностью твердения штукатурных растворов является их нанесение в тонком слое. Твердение при пониженной положительной и малой отрицательной температуре сопровождается недостаточным развитием экзотермических процессов, что также затрудняет применение электролитов в качестве противоморозных добавок. Кроме этого, при последующей эксплуатации затвердевшего штукатурного слоя возможно возникновение и развитие процессов высолообразования на поверхности фасада.

Следовательно, актуальной задачей представляется поиск решений, направленных на понижение температуры замерзания воды в штукатурных растворах, исключая возможность появления высолов. Одним из таких решений может стать применение органических гетероцепных полимеров из класса простых полиэфиров - низкомолекулярных полиэтиленоксидов (НП), с

6

низкой температурой замерзания водных растворов. Агрегатное состояние НП и степень его растворимости в воде определяется конкретным значением молекулярной массы полимера, варьируемой в диапазоне от 200 до 40000. Наибольший интерес в этом вопросе представляют кристаллические термопластичные НП с молекулярной массой 2000, 4000 и 6000 (порошкообразные вещества, хорошо растворимые в воде).

Изучение и обобщение научно-технической литературы по данной тематике позволил высказать научную гипотезу. Снижение активности водной фазы к цементу в составе штукатурного раствора, твердеющего при пониженных положительных и отрицательных температурах, объясняется изменение ее структуры за счет усиления водородных связей между молекулами воды, что приводит к образованию ассоциатов (льда). При растворении в воде НП происходит образование водородных связей между эфирными атомами кислорода полимера, количество которых напрямую зависит от размера макромолекулы полимера (т.е. молекулярной массы) и молекулами воды. Так как каждый эфирный атом кислорода может образовывать по две водородные связи, с большей, чем у воды, энергией связи, в растворе образуются устойчивые к отрицательной температуре гидраты.

Принятый при проведении исследований состав штукатурного раствора включал в себя (% по массе): бездобавочный портландцемент ПЦ 400-Д0 (содержание СзБ - 53%) - 30%; кварцевый песок, фр. 0-0,063 - 64,05%; известь гашеная - 3%; водорастворимая метилцеллюлоза - 0,25%; полимерный порошок на основе полимеров винилацетата, винилверсатата и этилена - 2,5%; волокна целлюлозы - 0,2%; В/Т=20. Концентрация водного раствора НП составляла 5...25% (т.е. при дозировке НП - 1...5% по массе смеси). Введение в состав штукатурного состава НП осуществлялось за счет снижения доли песка. Подвижность всех исследуемых растворов составила Пк = 8... 12 см.

Влияние НП на физико-механические свойства штукатурных растворов при нормальных условиях твердения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические свойства штукатурных растворов с НП, твердевших при (20±2)°С_

Штукатурный раствор Плотность растворного состава, кг/м3 Предел прочности, МПа. Возраст 28 суток

Сцепления с утеплителем На растяжение при изгибе При сжатии

Без НП 1460 0,22 5,0 12,1

1 ...5% НП2000 1460... 1468 0,22... 0,25 5,0...5,4 12,0... 12,4

1...5% НП4000 1465... 1472 0,22... 0,25 5,1...5,4 12,2... 12,5

1... 5% НП6000 1465... 1475 0,23...0,25 5,1...5,5 12,2...12,5

Было установлено, что введение НП в состав штукатурного раствора, твердевшего при нормальных условиях, не оказывает значимого влияния на его

свойства. Сроки сохранения подвижности всех исследуемых растворов находилась в пределах 60 минут. Марка по морозостойкости Р75.

Ввиду отсутствия на сегодняшний день требований к методам испытаний штукатурных растворов, твердеющих пониженной положительной и отрицательной температуре, была разработана соответствующая методика.

Изготовление образцов осуществлялось согласно требованиям ГОСТ Р 54359-2011 «Составы клеевые, базовые штукатурные, выравнивающие шпаклевочные на цементном вяжущем для фасадных теплоизоляционных композиционных систем с наружными штукатурными слоями. Технические условия» в помещении климатической камеры при установленной температуре в диапазоне (+5...-10)°С. Учитывая малые размеры образцов, их время выдержки составляло: для предела прочности сцепления с утеплителем - 7 суток, для определения марки по морозостойкости, предела прочности на растяжение при изгибе и сжатии - 14 суток. Далее образцы перемещались в нормальные условия твердения.

Исходя из предположения о наиболее критичном для затвердевшего при пониженной положительной и отрицательной температуре штукатурном слое периоде оттаивания, первая партия образцов для определения предела прочности сцепления с утеплителем испытывалась в возрасте 8 суток с момента изготовления. Вторая партия - в проектном для цементных систем возрасте 28 суток. Испытания по определению предела прочности на растяжение при изгибе и сжатии также определялись в возрасте 28 суток. Минимально допустимое значение предела прочности сцепления с утеплителем (независимо от возраста испытуемых образцов) составило ОД МПа; снижение предела прочности на растяжение при изгибе и сжатии допускалось в пределах 30% от определенных в таблице 1 минимальных значений. Исследования по определению сроков сохранения подвижности штукатурных растворов проводились в помещении климатической камеры при температуре (+5°. -10)°С.

Влияние НП на физико-механические свойства штукатурных растворов, твердевших при температуре (+5°...-10)°С, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические свойства штукатурных растворов с НП, твердевших в диапазоне (+5°...-10)°С._

Штукатурный раствор Предел прочности, МПа.

Сцепления с утеплителем, возраст 8 суток. Сцепления с утеплителем, возраст 28 суток. На растяжение при изгибе, возраст 28 суток. При сжатии, возраст 28 суток.

Штукатурный раствор без НП

0,09... 0,05 0,09... 0,05 3,6...2,5 8,5...5,2

Штукатурный раствор с НП (1%, по массе смеси)

НП2000 0,12...0,08 0,16... 0,09 3,9...2,7 8,9...5,8

НП4000 0,13...0,09 0,19..0,11 4,1...2,8 9,5... 6,7

НП6000 0,16...0,11 0,24...0,15 4,5...3,5 10,5...8,5

Штукатурный раствор с НП (2%, по массе смеси)

НП2000 0,12...0,09 0,16...0,09 3,9...2,8 9,0...5,9

НП4000 0,13...0,09 0,19...0,11 4,3... 2,9 9,8... 7,2

НП6000 0,16...0,12 0,24...0,15 4,6...3,5 11,2...8,5

Штукатурный раствор с НП (3%, по массе смеси)

НП2000 0,13...0,10 0,17...0,13 4,2...3,2 9,3..6,1

НП4000 0,14...0,11 0,20...0,14 4,3... 3,3 10,3...7,7

НП6000 0,17...0,15 0,25... 0,20 4,9...3,7 11,4...8,6

Штукатурный раствор с НП (4%, по массе смеси)

НП2000 0,14...0,10 0,17...0,13 4,4...3,3 9,7... 7,4

НП4000 0,15...0,11 0,20... 0,14 4,5...3,3 10,4...7,8

НП6000 0,18...0,15 0,25... 0,21 5,0... 3,9 11,5...8,7

Штукатурный раствор с НП (5%, по массе смеси)

НП2000 0,14...0,10 0,19...0,15 4,4...3,4 9,9...7,4

НП4000 0,16...0,12 0,23...0,17 4,7...3,6 10,5...7,8

НП6000 0,18...0,15 0,25... 0,22 5,1...4,3 11,7...8,9

Анализ полученных данных подтвердил высказанную научную гипотезу. По результатам проведенных экспериментальных исследований был подтвержден противоморозный эффект НП в среде штукатурных растворов, твердеющих при температуре (+5...-10)°С. Максимальный противоморозный эффект достигается при дозировке НП 5% по массе смеси. Установлено значимое влияние молекулярной массы НП: повышение молекулярной массы, при равной дозировке, приводит к увеличению прочностных показателей.

Зависимости физико-механических свойств штукатурных растворов с НП (5% по массе смеси) от температуры твердения представлены на графиках 1...4.

График 1 - Зависимость предела прочности сцепления с утеплителем штукатурных растворов с НП (5% по массе) от температуры твердения. Возраст

образцов — 8 суток.

График 2 - Зависимость предела прочности сцепления с утеплителем штукатурных растворов с НП (5% по массе) от температуры твердения. Возраст

образцов - 28 суток.

-Контроль-НП 2000-------НП 4000-НП 6000

МПа >2,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0

0°С -5°С -10°С

Температура твердения, °С

График 3 - Зависимость предела прочности на растяжение при изгибе штукатурных растворов с НП (5% по массе) от температуры твердения. Возраст образцов — 28 суток.

График 4 — Зависимость предела прочности при сжатии штукатурных растворов с НП от температуры твердения.

Возраст образцов - 28 суток.

С помощью математического планирования эксперимента и обработки его результатов было оптимизировано содержание НП в штукатурных растворах. В результате обработки полученных данных были определены функции цели: предел прочности сцепления с утеплителем в возрасте 8 и 28

суток, предел прочности на растяжение при изгибе и сжатие в возрасте 28 суток.

Варьируемыми факторами являлась температура твердения (-10 °С, -2,5 °С, +5 °С), молекулярная масса НП (2000, 4000, 6000) и его дозировка (1%, 3%, 5%). Достоверность результатов была проверена по критериям Стьюдента и Фишера. Ошибка аппроксимации для всех уравнений находилась в интервале 3...5 %. Получены уравнения регрессии:

Для предела прочности сцепления с утеплителем: Я«г.8 = 0,147+0,018-Х1 + 0,013 -Х2 +0,019-Хз Яадг 28= 0,192+0,003-Х1+ 0,018-Х2 +0,021-Хз Для предела прочности на растяжение при изгибе: 11шг.28= 3,797+0,32-Х1+ 0,33 Х- +0,48Хз Для предела прочности при сжатии: ЯсМт28= 9,112+0/74-Х1 + 0,52-Хг +1,18-Хз

Установлено, что при твердении при температуре (+5...-10)°С оптимальным является содержание в штукатурный состав НП 6000 в количестве 1,2% по массе сухой смеси. Полученный состав эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000 для зимних условий представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Состав эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000

Компонент Содержание, % по массе

Портландцемент ПЦ 400-Д0 30

Песок кварцевый 63,05

Известь гашеная 3

Водорастворимая метилцеллюлоза 0,25

Полимерный порошок на основе полимеров винилацетата, винилверсатата и этилена 2,5

Волокна целлюлозы 0,2

НП 6000 1

В/Т 20

Средняя плотность эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий составила 1462 кг/м3, сроки сохранения п одвижности не менее 40 мин., марка по морозостойкости Б75, предел прочности сцепления с утеплителем в возрасте 28

суток составил 0,15...0,24 МПа, предел прочности на растяжение при изгибе в возрасте 2В суток-3,5...4,5 МПа, при сжатии 9,5... 10,5 МПа.

При проведении испытаний на морозостойкость эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида установлено отсутствие признаков возникновения и развития высолов.

Методами рентгенофазового и микроструктурного анализа была установлена высокая гидратационная активность трехкальциевого силиката в составе цемента эффективных штукатурных растворов, характеризуемая активным ростом новообразований на поверхности цементных зерен с заполнением межзернового пространства продуктами гидратации и формированием плотной структуры цементного камня (рисунки 1,2).

Рисунок 1 - Микроструктурный и рентгенофазовый анализ эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000. Температура твердения +5°С.

Рисунок 2

- Микроструктурный и рентгенофазовый анализ эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000. Температура твердения -10°С.

При исследовании штукатурных растворов без НП были обнаружено снижение количества новообразований на поверхности цементных зерен с сокращением количества продуктов гидратации в межзерновом пространстве и контактов между цементными зернами. Структура цементного камня

достаточно неплотная, с преобладанием крупных пор (до 10 мкм) - рисунки 3,4.

Рисунок 4 - Микроструктурный и рентгенофазовый анализ штукатурного раствора без НП.

Температура твердения -10°С.

Методами эталонной порометрии были получены и проанализированы данные о формировании поровой структуры штукатурных растворов (график

5).

Рисунок 3 - Микроструктурный и рентгенофазовый анализ штукатурного раствора без НП.

Температура твердения +5°С.

II

—----"—.....

г ~~

_-|

. ■ \ -

ЯВирЯЯВ

МННШ

п щт

В ■наш 1 I]

1

Бет НП. г=+3*С Без НП. г=-10"С

С яовзвкои НП С добавкой НП

6000, бооо.Ыйус

1=(20±2),С I Объем, см*/г

Сдобавко(1ЮТ 6000,1=-10°С

□ Мшфопоры{г<0,005 мкм) ■ Пер входные поры (г 0.005-0,1 ыкм) □МифопорыДО Д мкы)

График 5 - Распределение пор относительно занимаемого объема.

По данным микроструктурного анализа поровой структуры было установлено, что при твердении при температуре (+5...-10)°С происходит значительное увеличение суммарного объема макропор при одновременном снижении объема переходных пор и микропор в структуре штукатурных составов без НП, в то время как распределение пор относительно занимаемого объема эффективных штукатурных растворов с добавкой НП 6000 практически не претерпевает изменений (рисунки 5-8).

Рисунок 5 - Микроструктурный анализ поровой структуры штукатурного раствора без НП. Температура твердения +5°С.

Рисунок 6 - Микроструктурный анализ поровой структуры эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000. Температура твердения +5°С.

Рисунок 8 - Микроструктурный анализ поровой структуры эффективного штукатурного раствора с добавкой НП 6000. Температура твердения -10°С.

поровой структуры штукатурного раствора без НП. Температура твердения -10СС.

Рисунок 7 — Микроструктурный анализ

На основании проведенных исследований был разработан и введен в действие технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий, осуществлено опытное внедрение, выявлен технический и получен экономический эффект.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность получения эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий за счет снижения температуры замерзания жидкой фазы и создания условий гидратации портландцемента при пониженной положительной и малой отрицательной температуре, с образованием плотной структуры цементной матрицы, обеспечивающей высокие эксплуатационные характеристики растворов.

2. Разработана методика определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре;

3. Получены многофакторные математические зависимости физико-механических свойств штукатурных растворов от температуры твердения и молекулярной массы низкомолекулярного полиэтиленоксида для оптимизации его дозировки в составе штукатурных растворов.

4. Методами рентгенофазового и микроструктурного анализа установлено, что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного полиэтиленоксида обеспечивает высокую гидратационную активность трехкальциевого силиката.

5. Получены составы эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий;

6. Методами электронной микроскопии и эталонной порометрии установлено, что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного полиэтиленоксида препятствует появлению внутренних напряжений в системе, характеризуемых преобладанием пор увеличенного радиуса.

7. На основании разработанной методики проведения натурных испытаний разработан технологический регламент на приготовление и применение эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида в зимних условиях;

8. Осуществлено опытное внедрение полученных эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий. Получен экономический эффект в размере свыше 250 ООО рублей.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Голунов С.А. Оценка эффективности современных композиционных фасадных систем с тонкими штукатурными слоями и утеплителем из минеральной ваты/А.П. Пустовгар, Е.В. Дудяков, С.А. Пашкевич//Строительные материалы.-2010.-№11.

2. Пашкевич С.А. Применение противоморозных добавок в базовых штукатурных составах систем фасадной скрепленной теплоизоляции/С.А. Голунов, А.П. Пустовгар, А.О. Адамцевич// Строительные материалы. — 2011,-№8.

3. Пашкевич С.А. Методы испытаний штукатурных фасадных покрытий, твердеющих при отрицательных температурах/С.А. Голунов, А.П. Пустовгар// III Академические чтения «Актуальные вопросы строительной физики», посвященные памяти академика Г.Л. Осипова» - М.: Вестник МГСУ .-2011 .-№3 .-Т.2.

4. Пашкевич С.А. Сухие строительные смеси для монтажа СФТК при пониженных и отрицательных температурах/С.А. Нормантович, С.А. Голунов, А.П. Пустовгар// II Международная научно-практическая конференция «Российские дни сухих смесей 2011» - М.: Russian Mortar Yearbook 2012.-2011.

5. Пашкевич С.А. Исследование формирования поровой структуры цементных систем, твердеющих при пониженных и отрицательных температурах/А.О. Адамцевич, А.П. Пустовгар, С.А. Голунов, H.H. Шишияну// Вестник МГСУ. -2012.-№3.

Подписано в печать 17.05.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,5 п.л. Тираж 110 Заказ 29 К

Отпечатано в Типографии МГСУ 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов

!

-18

61 12-5/3712

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

ЭФФЕКТИВНЫЕ ШТУКАТУРНЫЕ РАСТВОРЫ С ДОБАВКОЙ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА

ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На пга&ах рукописи

Пашкевич Станислав Александрович

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Пустовгар Андрей Петрович

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ

ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ.............. 10

1Л. Твердение цементных систем при пониженной положительной и малой отрицательной температуре................................................ 10

1.2. Влияние противоморозных добавок на процессы твердения цементных систем при пониженной положительной и малой отрицательной температуре........................................................ 19

1.3. Анализ проблемы применения противоморозных добавок в штукатурных растворах............................................................. 22

1.4. Особенности структурообразования цементных систем, твердеющих при пониженной положительной и малой отрицательной температуре........................................................................... 34

1.5. Выводы по главе 1. Научная гипотеза.................................... 36

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБОРУДОВАНИЕ. МАТЕРИАЛЫ......................................................................... 39

2.1. Методика определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной

и малой отрицательной температуре.................................................... 39

2.1.1. Методика изготовления образцов......................................... 40

2.1.2. Методика проведения физико-механических испытаний........... 42

2.2. Методика проведения натурных испытаний........................... 45

2.2.1. Приготовление строительного раствора................................ 46

2.2.2. Производство штукатурных работ...................................... 47

2.2.3. Температурный режим испытаний...................................... 48

2.2.4. Методика проведения физико-механических испытаний

штукатурного слоя......................................................................................................................................49

2.3. Методика проведения рентгенофазового анализа..............................................54

2.4. Методика проведения микроструктурного анализа........................................57

2.5. Методика определения поровой структуры..............................................................58

2.6. Материалы..............................................................................................................................................59

2.6.1. Вяжущее................................................................................................................................................59

2.6.2. Заполнитель........................................................................................................................................61

2.6.3. Модифицирующие добавки................................................................................................63

2.6.4. Низкомолекулярный полиэтиленоксид..................................................................68

2.6.5. Утеплитель........................................................................................................................................69

2.7. Экспериментальные составы штукатурных растворов с добавкой

низкомолекулярного полиэтиленоксида..............................................................................73

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ С

ДОБАВКОЙ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА.... 74

3.1. Физико-механические свойства экспериментальных штукатурных

растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида........... 74

3.2. Оптимизация состава штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий............ 89

3.3. Физико-механические свойства эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида............. 95

3.4. Результаты натурных испытаний эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида............. 95

3.5. Выводы по главе 3.............................................................. 105

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭФФЕКТИВНЫХ ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ С ДОБАВКОЙ

НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА..................... 106

4.1. Исследование степени гидратации цемента............................... 106

4.1.1. Результаты рентгенофазового анализа................................... 106

4.1.2. Микроструктурный анализ новообразований......................................................117

4.2. Исследование поровой структуры......................................................................................121

4.2.1. Результаты порометрического анализа......................................................................121

4.2.2. Микроструктурный анализ поровой структуры................................................136

4.3. Выводы по главе 4..............................................................................................................................140

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ С ДОБАВКОЙ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА

ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ..................................................................................................................142

5.1. Внедрение эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий..............................142

5.2. Экономический эффект применения эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для

зимних условий............................................................................................................................................145

5.3. Выводы по главе 5............................................................................................................................147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................................................................148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................153

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Акт о внедрении методики определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и малой отрицательной температуре. Приложение 2,3 Технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий. Приложение 4,5. Акт о внедрении эффективного штукатурного раствора с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Обеспечение высокого уровня качества фасадных работ с применением штукатурных растворов ограничивает их применение в зимних условиях, ввиду риска замерзания свежеуложенного раствора. Использование противоморозных добавок электролитов в составах штукатурных растворов приводит к возникновению и развитию процессов высолообразования на поверхности фасада.

Решение вопроса создания эффективных штукатурных растворов для производства фасадных работ в зимний период может быть осуществлено путем введения в них добавки низкомолекулярного полиэтиленоксида, с низкой температурой замерзания водных растворов и отсутствием процессов высолообразования.

Работа выполнена в соответствии с Государственным контрактом на выполнение научно-исследовательских работ №16.552.11.7025 от 29 апреля 2011 года по теме: «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием «ГР ЦКП МГСУ» поисковых научно-исследовательских работ в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений».

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является получение эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать возможность применения низкомолекулярного полиэтиленоксида в качестве противоморозной добавки для штукатурных растворов.

2. Исследовать влияние низкомолекулярного полиэтиленоксида на физико-механических свойства штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

3. Исследовать влияние низкомолекулярного полиэтиленоксида на процессы гидратации и структурообразования цементного камня штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

4. Получить составы эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий.

5. Разработать рекомендации по применению эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида при пониженной положительной и отрицательной температуре.

6. Провести опытное внедрение полученных эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида и оценить технико-экономический эффект внедрения.

Научная новизна.

1. Обоснована возможность получения эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для зимних условий за счет снижения температуры замерзания жидкой фазы и создания условий гидратации портландцемента при пониженной положительной и малой отрицательной температуре, с образованием плотной структуры цементной матрицы, обеспечивающей высокие эксплуатационные характеристики растворов.

2. Получены многофакторные математические зависимости физико-механических свойств штукатурных растворов от температуры твердения и молекулярной массы низкомолекулярного полиэтиленоксида для оптимизации его дозировки в составе штукатурных растворов.

3. Методами рентгенофазового и микроструктурного анализа установлено,

что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного

6

полиэтиленоксида обеспечивает высокую гидратационную активность трехкальциевого силиката.

4. Методами электронной микроскопии и эталонной порометрии установлено, что введение в состав штукатурного раствора низкомолекулярного полиэтиленоксида способствует формированию плотной поровой структуры.

Практическая значимость.

1. Разработаны составы эффективных штукатурных растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида для применения при температуре (+5...-10)°С, со следующими характеристиками: средняя плотность 1460 кг/м3, сроки сохранения подвижности 40... 50 мин., марка по морозостойкости F75, предел прочности сцепления с утеплителем не ниже 0,1 МПа, предел прочности на растяжение при изгибе не ниже 3,5 МПа, предел прочности при сжатии не ниже 9,5 МПа.

2. Разработан технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида в зимних условиях.

3. Разработана методика определения физико-механических свойств штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

4. Разработана методика проведения натурных испытаний штукатурных растворов, твердеющих при пониженной положительной и отрицательной температуре.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-практических конференциях:

1. Всероссийская конференция «III Академические чтения «Актуальные вопросы строительной физики», посвященные памяти академика Г.Л. Осипова» (г. Москва, НИИСФ РААСН, 5-7 июля 2011 г.).

2. Международная конференция «ВаШгмх-2011» (г. Владимир, 16-18 августа 2011 г.).

3. Международная конференция «Российские дни сухих строительных смесей - 2011» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 28-29 ноября 2011 г.).

4. На заседании кафедры «Строительство ядерных установок» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 13 марта 2012 г.).

Внедрение результатов исследований.

На основании исследований был разработан технологический регламент на приготовление и применение эффективного штукатурного растворов с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида в зимних условиях.

Полученный эффективный штукатурный раствор с добавкой низкомолекулярного полиэтиленоксида был использован при устройстве базового штукатурного слоя в составе системы фасадной теплоизоляции композиционной с наружными штукатурными слоями на объектах:

1. 1 -я Градская больница, расположенном по адресу: г.Москва, Ленинский проспект 8, корп.8, в период с 10.01.2012 г. по 13.01.2012 г. Объем внедрения составил 35 м2. Экономический эффект от внедрения составил более 50 тысяч рублей.

2. Жилой дом (5 этажей), расположенном по адресу: Московская область, Клинский район, городское поселение Клин, г.Клин, ул. Ленинградское шоссе д.52/1 в период с 16.01.2012 г. по 20.01.2012 г.

Объем внедрения составил 135 м2. Экономический эффект от внедрения составил более 200 ООО рублей.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, и 6 приложений. Работа изложена на 161 странице текста, иллюстрирована 64 рисунками, имеет 64 таблицы и 27 графиков.

1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗРАБОТКИ ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ

1.1. Твердение цементных систем при пониженной положительной и малой отрицательной температуре

Удлинение цикла строительных работ на переходные периоды (зима-весна и осень-зима), необходимость проведения работ в зимний период обусловили востребованность цементных растворов и бетонов и технологий строительных работ, относящихся к зимнему бетонированию. Особые условия формирования бетона на морозе связаны с замерзанием воды, как химического компонента реагирующей системы, а также с замедлением гидратации и твердения цемента. Практические приемы (методы) зимнего бетонирования связаны с сохранением в твердеющем бетоне воды в жидком состоянии. Условно эти приемы можно разделить на физические и химические. Физические сводятся к сохранению положительных температур в бетоне за счет его прогрева [1-4, 53], химические основаны на снижении температуры замерзания воды при растворении в ней противоморозных добавок [5].

Имеющийся опыт зимнего бетонирования не может быть в полной мере

использован для разработки составов и условий применения штукатурных

растворов в зимний период. Большинство штукатурных растворов содержат

редиспергируемые полимерные порошки (РПП), которые в комбинации с

вяжущими материалами дают возможность производить готовые сухие

строительные смеси. Простота приготовления такого раствора позволяет

избежать случайных ошибок при замешивании и упрощает использование

материалов [6,7,8-10]. Однако, в случае снижения температуры наружного

воздуха до +5°С, коалесценция частиц латекса и пленкообразование

замедляется, а при дальнейшем снижении температуры наружного воздуха

практически прекращается. Кроме полимерных дисперсий (нерастворимых в

10

воде полимерных частиц), в состав штукатурных растворов часто входят водорастворимые полимеры (например, эфиры целлюлозы), которые также оказывают влияние на процессы гидратации и формировании структуры твердеющего раствора, и при низких температурах могут существенно замедлить процесс твердения и набора прочности.

Особенностью применения штукатурных растворов является технология их нанесения в виде тонкого слоя на массивную строительную конструкцию, поверхность которой может иметь отрицательную температуру. Так как масса наносимого материала мала по сравнению с массой конструкции, и покрытие достаточно быстро приобретает температуру строительного основания, развитие экзотермических процессов при гидратации цемента в этих условиях не может существенно повысить

температуру смеси.

Как правило, штукатурные растворы относятся к цементно-полимерным

композициям, имеющих отличный от классических цементных систем

механизм твердения. Всестороннее исследование механизма твердения

цемента в присутствии дисперсионных полимерных порошков осуществлено

И. Охамой [11], Р. Цюрбриггеном и П. Дильгером [9], H.E.Schwiehe,

H.Wagner [13-15] и др. По мнению этих авторов, цементные составляющие

гидратируются быстрее, чем появляется полимерная пленка. Тем не менее,

их взаимное влияние существенно. Это влияние состоит в торможении

процессов гидратации безводных цементных минералов за счет их

экранирования полимерными пленками, такими стабилизаторами, как

поверхностно-активные вещества (ПАВ), освобождающимися при слиянии

редиспергированных полимерных частиц, а также обычно присутствующим в

системе в качестве защитного коллоида поливиниловым спиртом (ПВС). В

свою очередь, цементные минералы, химически связывая воду,

обезвоживают полимерную дисперсию изнутри, создавая необходимые

условия для сближения и последующего слияния полимерных частиц во

фрагменты пленок. По данным [27], значащим фактором для

И

пленкообразования является воздействие на полимерную частицу солей, переходящих в раствор из растворимых компонентов цемента при затворении цемента водой. В раствор переходят ионы Са2+, К+, Ыа+, ОН-, Б042-, безусловно влияющие на коагуляционную устойчивость полимерных частиц, которые обычно специально дополнительно стабилизируют для обеспечения их устойчивости в этих системах. Поскольку процессы отвердевания цементно-полимерных систем регулируются химическими реакциями, происходящими в системе, то температура протекания реакций является существенным фактором воздействия на них, а снижение температуры по известным химическим законам обя