автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицированное гипсовое вяжущее для прессованных стеновых изделий повышенной стойкости к атмосферным воздействиям

— ^

V ; О

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

На правах рукописи

КАКЛЮГИН Александр Викторович

МОДИФИЦИРОВАННОЕ ГИПСОВОЕ ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ ПРЕССОВАННЫХ СТЕНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТИ К АТМОСФЕРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

05.23.05 — строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1995

Работа выполнена в Ростовской-на-Дону- государственной академии строительства

Научный руководитель - кандидат технических наук.

Ведущая организация - АО СевКавНИПИагропром

Защита диссертации состоится < 5 > 1995 г.

в 40 ч. на заседании специализированного совета Д 063.64. 01 в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГАС, Ученый совет.

профессор А.Н.ЮНДИН

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

.профессор А. П. ЗУБЕХИН. кандидат технических наук, доцент А.И.ПАНЧЕНКО

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

Ю. А. Веселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы отмечается заметное оживление малоэтажного индивидуального строительства. В связи с этим требуется расширение производства штучных изделий для ограждающих конструкций (камней, блоков, облицовочных плиток). Одним из путей удовлетворения увеличивающегося спроса на материалы для ограждающих конструкций является применение гипсовых вяжущих, в первую очередь, наиболее распространенного полуводного гипса р-модификации. Однако невысокая прочность и. главным образом, крайне низкая водостойкость р-полугидрата сульфата кальция существенно ограничиваю! его применение в этих целях. Прочность низкомарочного гипсового вяжущего можно значительно повысить за счет уменьшения величины водогипсового отношения и применения интенсивных способов уплотнения формовочных смесей, наиболее эффективным из которых является прессование. Однако водостойкость прессованных гипсовых изделий при этом не только не увеличивается, но заметно снижается и поэтому возможность их применения в ограждающих конструкциях остается проблематичной.

Все вышеизложенное позволяет считать проблему повышения прочности и водостойкости прессованных гипсовых изделий, решаемую в данной работе, весьма актуальной.

Цель диссертационной работы: разработка модифицированного гипсового вяжущего для производства строительных изделий методом прессования, обладающих повышенной прочностью и стойкостью при длительных и чередующихся температурно-влажностных воздействиях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить . следующие задачи:

- провести выбор модифицирующих добавок;

- изучить влияние модификаторов на структурообразование, фазовый и минеральный составы затвердевшего вяжущего;

- выявить основные рецептурные и технологические факторы, оказывающие влияние на прочность и долговечность прессованного модифицированного гипсового вяжущего;

- получить экспериментально-статистические модели зависимости свойств материала от количества вводимых добавок и основных технологических факторов;

- исследовать стойкость затвердевшего прессованного модифицированного гипсового вяжущего к атмосферным воздействиям;

- получить мелкозернистые бетоны на его основе;

- провести опытно-промышленные испытания и определить экономическую эффективность предложенных композиционных материалов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработаны составы гипсового вяжущего для производства прессованных стеновых изделий,_обладающих высокой прочностью и водостойкостью;

- комплексом методов физико-химического анализа (РФА. ДТА и ИК-спектроскопии) установлен фазовый и минералогический состав композиционного, вяжущего. Выявлено образование в системе малорастворимой новой фазы двузамещенного дигидрофосфата кальция СаНР04-2Нг0. изоморфно кристаллизующегося с двуводным гипсом;

- электронно-микроскопическими исследованиями показано, что структура затвердевшего гипсового камня сложена из плотно упакованных агрегатов хлопьевидных образований, состоящих из мельчайших кристаллов гипса и кальцита, сцементированных дигидратом дикальцийфосфата;

- получена аналитическая зависимость коэффициента размягчения прессованного гипса от величины его максимального объемного водопоглощения, которая имеет линейный характер и описывается уравнением:

КР » 1 - 0, 024 %;

- установлено положительное влияние модифицирующих добавок на формирование мелкокристаллической структуры вяжущего, характеризующейся повышенной прочностью, и параметры ее порового пространства (уменьшение открытой пористости, среднего размера пор и улучшение показателя их однородности), что обусловливает увеличение долговечности материала.

Практическое значение работы:

- работа выполнена в рамках темы "Разработка эффективной технологии применения гипсовых вяжущих с использованием техногенных отходов для возведения малоэтажных зданий" МНТП "Архитектура и строительство";

- разработаны составы и способ получения модифицированного гипса для производства высокопрочных прессованных .изделий, обладающих повышенной водостойкостью. На составы и способ производства вяжущего подана заявка на патент в Роспатент (приоритетная справка N 94-027027/33/26638);

- получены экспериментально-статистические модели прочности. коэффициента размягчения, водопоглощения и средней плотности затвердевшего вяжущего от основных рецептурных и технологических ; факторов, позволяющие управлять его свойствами;

- разработанная технология производства изделий из строительного гипса, шлама химводоочистки ТЭЦ с добавкой'одноза-мещенного фосфата аммония апробирована в АО "Дон-гипс" г. Ростова-на-Дону при изготовлении кирпичей для лицевой кладки наружных стен;

- расчетный годовой экономический эффект, достигаемый при производстве 2291,3 куб.м в год стеновых изделий из модифицированных гипсовых вяжущих по предложенной технологии в сравнении с существующей технологией производства таких же изделий и в таком же количестве из цементно-песчаных смесей, составил: в фиксированных ценах 1991 г. - 178 200 руб., а в прогнозируег мых ценах на 1995 г. - 123 935 ООО руб.

На защиту выносятся: ,,

- результаты ■ комплексных исследований физико-химических, процессов, протекающих при твердении прессованного строительно7 го гипса, модифицированного рекомендуемыми неорганическими добавками;

- составы и способ получения сырьевых смесей композиционных гипсовых вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе с использованием шлама химводоочистки ТЭЦ и однозамещенного фосфата аммония;

- комплексная оценка влияния рецептурных и технологических факторов на физико-механические свойства прессованного модифицированного строительного гипса и мелкозернистого бетона на его основе;

- результаты оценки стойкости затвердевшего модифицированного вяжущего при длительном водонасыщении и чередующихся тем-пературно-влажностных воздействиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Ростовской-на-Дону государственной академии строительства (1993-1995), Международных конференциях: "Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций" (Ростов-на-Дону, 1994), "Вопросы планирования и застройки городов" (Пенза, 1995), "Научно-технические достижения в области дорожных строительных материалов, строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных ■ сооружений" (Липецк, 1995).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в пяти публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора состояния вопроса, 5 глав, освещающих результаты исследований, основных выводов, списка использованных литературных источников.

Работа изложена на 201 странице машинописного текста, включая 45 рисунков, 29 таблиц, 141 наименование литературы, в том числе на иностранных языках, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы, а также сведения о ее апробации, опытно-промышленной проверке и объеме.

В первой главе представлен аналитический обзор научных публикаций по рассматриваемой проблеме, показаны .причины формирования низкопрочной высокопористой структуры гипсового камня и существующие способы повышения прочности и долговечности гипсовых изделий.

Наибольшую известность в этой области получили работы П. А. Ребиндера, Е. Е.Сегаловой, А.В.Волженского, А. В.Ферронской, К. Н. Рожковой, В. Б. Ратинова, Т. И. Розенберг, А.Ф.Полака, Г.С.Рап-тунович, В.Г.Каменского, И.М.Ляшкевича, В.В.Иваницкого, В.С.Ко-молова, Д. И. Стеканова и др. Ими установлено, что прочность гипсовых изделий можно значительно повысить за счет снижения водо-гипсового отношения до величины, близкой к стехиометрически

необходимой для протекания химических реакций гидратации. Производство штучных изделий на основе 0-полугидрата сульфата кальция из смесей с низким водосодержанием возможно, в частности, за счет применения интенсивных способов их уплотнения, из которых наиболее эффективным является прессование.

Прочность получаемого прессованного гипсового камня в различных работах составляет от 30 до 80 МПа, однако его долговечность при этом остается недостаточной для использования в ограждающих конструкциях. Из теоретических и экспериментальных исследований следует, что эффективным средством повышения водостойкости гипсовых материалов является создание на поверхности возникающих кристаллов двуводного гипса защитных пленок из труднорастворимых соединений, затрудняющих растворение кристаллизационных контактов и увеличивающих за счет этого срок службы материала во влажных условиях. Такие пленки можно создать введением в состав формовочной смеси различных химических добавок, которые, взаимодействуя с гипсом и друг с другом, способны приводить к образованию подобных соединений.

Наибольший эффект повышения прочности и водостойкости, а также снижения стоимости гипсовых изделий может быть достигнут при использовании наряду с химическими модификаторами тонкодасперсных наполнителей, оказывающих влияние на организацию структуры гипсового камня. Этим проблемам посвящены работы В.И.Соломатова, В.Н.Вырового, В.А.Вознесенского, С.Я.Азаровой и др.

Изложенные выше соображения явились теоретической основой для выбора модификаторов, с помощью которых предполагалось повысить водостойкость прессованного строительного гипса.

Из большого числа труднорастворимых солей кальция наше внимание привлекли двузамещенные ортофосфаты кальция вида СаНР04-2Н20, изоморфные и изоструктурные с двуводным гипсом, но обладающие по сравнению с ним в 10 раз меньшей растворимостью.

При выборе химической добавки и минерального наполнителя целесообразным является такое их сочетание, при котором между ними могла бы протекать химическая реакция, приводящая к образованию соединений, подобных тем, которые образуются при взаимодействии добавки с гипсом.

Если в качестве наполнителя использовать тонкодисперсный карбонат кальция и формовочную смесь затворять водными растворами однозамещенных фосфатов, имеющих кислую среду, образование СаНР04-2Н20 будет происходить в результате химических реакций как между добавкой и гипсом, так и между добавкой и карбонатом кальция. Протекающие при этом химические превращения приводят к некоторому замедлению схватывания строительного гипса, что является желательным при прессовании смесей с низкими водогипсовыми отношениями.' В результате упоминавшихся реакций значительная часть как вяжущего, так и наполнителя экранируется фазовыми пленками из труднорастворимых фосфатов кальция, что изменяет характер их контактирования и должно способствовать повышению прочности и водостойкости прессованного материала.

' Вышеизложенное позволило сформулировать рабочую гипотезу, сущность которой-заключается в следующем: получение прессованных высокопрочных гипсовых изделий, обладающих повышенной стойкостью к длительным и чередующимся температурно-влажностным воздействиям, может быть достигнуто путем модификации строительного гипса добавками тонкодисперсного карбоната кальция и однозамещенной соли ортофосфорной кислоты, оказывающих влияние на процесс организации структуры материала и способствующих образованию на поверхности элементов кристаллизационной структуры затвердевшего камня экранирующих защитных пленок из трудкораст-воримых фосфатов кальция, изоморфных с двуводным гипсом.

Во второй главе изложены характеристики исходных материалов. методика экспериментальных исследований, описаны методы физико-химического анализа.

В качестве вяжущего применяли нормальнотвердеющий строительный гипс среднего помола марки Г5 Ростовского АО "Дон-гипс", представляющий собой р-полугидрат сульфата кальция, отвечающий требованиям ГОСТ-125.

В качестве тонкодисперсного наполнителя использовали шлам химводоочистки ТЭЦ-2 г. Ростова-на-Дону. Высушенный шлам-отход представляет собой порошок желтого цвета с удельной поверхностью 7800 см2/г, состоящий, согласно данным химического, де-риватографического и других анализов, на 75 % из карбоната кальция.

Роль химической модифицирующей добавки выполнял однозаме-щенный фосфат аммония (моноаммонийфосфат) Ш4Н2Р04 .марки ЧДА Черкесского химзавода (ГОСТ 3771). Моноаммонийфосфат негигроскопичен, его растворимость в 100 г воды - 25 г, в растворе образует кислую среду с рН -3,8.

Приготовление исследуемых сырьевых смесей осуществляли на стандартной бегунковой растворомешалке. Рациональное время перемешивания смеси устанавливали опытным путем.

. Физико-механические характеристики материалов определяли по стандартным и общепринятым методикам с помощью образцов различной формы (цилиндров высотой и диаметром 50 мм, призм с размерами 100 х 40 х 40 мм и 250 х 120 х 65 мм), изготавливаемых прессованием в специальных пресс-формах.

Образцы твердели в воздушно-сухих условиях. Перед испытаниями их высушивали в сушильном шкафу при температуре 55°С. После этого половину образцов каждой серии погружали в воду на 48 ч. По полученным результатам определяли коэффициент размягчения материала как отношение прочности образцов в водонасыщенном и сухом состояниях, а по изменению массы образцов до и после их погружения в воду - водо-поглощение.

Физико-химические исследования исходных материалов и полученных композитов выполнены с привлечением дериватографичес-кого, рентгенофазового, ИК-спектрального, электронномикроскопи-ческого и химического методов анализа.

Комплексная оценка влияния . рецептурных и технологических факторов производилась методами математического планирования эксперимента с обработкой экспериментальных данных на ЭВМ.

В третьей главе исследовано влияние шлама химводоочистки ТЭЦ и однозамещенного фосфата аммония на свойства прессованного строительного гипса. Изучены основные технологические факторы, предопределяющие прочность и водостойкость затвердевшего модифицированного гипсового вяжущего.

Для оценки влияния применяемых добавок на свойства прессованного материала приготавливали композиционные вяжущие, в которых от 0 до 60 % строительного гипса заменяли шламом химводоочистки ТЭЦ. Смесь твердых компонентов затворяли водным

раствором однозамещенного фосфата аммония. При этом расход безводной химической добавки изменяли от 0 до 3 % массы гипса и шлама, а водотвердое отношение - от 0.17 до 0,2. Продолжительность перемешивания увлажненной формовочной смеси составляла от 2 до 20 мин, а давление прессования - от 20 до 60 МПа.

В ходе исследований установлено, что прочность и водостойкость прессованного гипса _ значительно, увеличиваются при введении в состав формовочной массы определенных количеств как шлама, так и однозамещенного фосфата аммония. При этом лучшими физико-механическими показателями обладает материал, полученный при одновременном использовании указанных добавок. Обусловлено это, прежде всего, химическим взаимодействием однозамещенного фосфата аммония с гипсом и шламом. Происходящие при этом процессы можно представить следующим образом.

Однозамещенный фосфат аммония в водных растворах имеет слабокислую реакцию (рН -3,8), благодаря тому, что наряду с гидролизом этой соли в водных растворах происходит диссоциация ди-гидрофосфат-иона:

НН4НгР04 = ИН4+ + Н2Р04" ;

Н2Р04" Н+ + НР042- .

1 которая преобладает над гидролизом. После -затворения гипсошла-мового композиционного вяжущего водным раствором моноаммоний-фосфата протекающие химические превращения можно представить следующим уравнением:

2СаБ04 - О, 5Н20 + СаС03 + 2Ш4Н2Р04 + ЗН20 = = СаЭ04 • 2Н2 0 + 2СаНР04 • 2Н2 0 + (11Н4)г304 + С0гТ

Процесс взаимодействия компонентов в указанном направлении обусловлен образованием малорастворимых продуктов реакции - ди-гидрата дикальцийфосфата СаНР04-2Н20 и двуводного гипса.

- и -

Образование дигидрата дикальцийфосфата возможно также в результате взаимодействия карбоната кальция шлама с ионами Н* и НР042~ добавки моноаммонийфосфата по схеме:

1 I

СаС03 + 2Н+ + НР042' + Н20 —

^ со2т

■ СаНР04 -2Ег01 + Н2С03

Н20

Выделяющаяся в результате этой реакции углекислота взаимодействует с ионами Са2+ смеси, карбонизируя материал, тем самым способствуя увеличению твердости гипсовых изделий. Образующийся СаНР04•2Н2 0 адсорбируется на поверхности частичек наполнителя, изменяя состояние его поверхности.

Таким .образом, в результате введения химической добавки частички наполнителя и гипсового вяжущего экранируются фазовыми *

пленками из труднорастворимого дигидрата дикальцийфосфата. Эти пленки оказывают дополнительное цементирующее действие на структуру прессованного композиционного материала, способствуют повышению его прочности и водостойкости. Образование новой фазы материала: - дигидрата дикальцийфосфата подтверждено проведенными дериватографическим. рентгенофазовым и ИК-спектральным анализами затвердевших вяжущих.

Проведенные электронномикроскопические исследования показали существенное отличие структуры затвердевших модифицированных гипсовых вяжущих от структуры бездобавочного прессованного гипса.

Структура композиционного материала, в котором часть гипсового вяжущего заменена тонкодисперсным карбонатом кальция, отличается от структуры бездобавочного гипса более плотной упаковкой кристаллов двуводного гипса и в целом характеризуется | большей степенью слитности и меньшей дефектностью. Это объясняется влиянием, которое оказывает тонкодисперсный наполнитель на структурообразование гипсового камня. Обладая высокой водопо-требностью и водоудерживающей способностью, наполнитель адсорбирует на поверхности своих зерен часть воды затворения в виде

сольватных оболочек. Это обусловливает уменьшение воды, способной к активному взаимодействию с гипсом, что приводит к снижению скорости и степени гидратации вяжущего до момента прессования. Под действием прессующего давления часть воды отжимается из сольватных оболочек и принимает активное участие в твердении гипса. Образующийся с некоторым увеличением объема дигидрат сульфата кальция заполняет поры структуры материала, что приводит к получению дополнительных кристаллизационных контактов и уменьшению внутренней поверхности микрощелей и пор.

Структура затвердевшего гипсового вяжущего с добавками шла--ма и моноаммонийфосфата. как показали электронномикроскопичес-.кие исследования, сложена из плотно упакованных хлопьевидных новообразований, не характерных для кристаллов двуводного гипса или кальцита. Прочно сросшиеся хлопьевидные агрегаты состоят, согласно данным ДТА, РФА и ИК-спектроскопии, из мельчайших кристаллов двуводного гипса и кальцита, сцементированных дигид-ратом дикальцийфосфата. Структура такого материала, в-отличие от структур прессованного гипса без добавок и с добавкой только шлама, отмечается гораздо большей степенью слитности и омоноличенности.

Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальная величина дозировки моноаммонийфосфата зависит от соотношения между гипсом и шламом в вяжущем. При увеличении доли наполнителя требуется больший расход моноаммонийфосфата. При содержании Ш4Н2Р04 меньше оптимального в достаточной мере не обеспечивается экранирование кристаллов двуводного гипса слоем ^ труднорастворимых фосфатов кальция. При избыточном содержании этой добавки на поверхности частиц вяжущего образуются утолщен-, ные рыхлые и хрупкие фазовые пленки. Одновременно с этим образуется большое количество сульфата аммония (Ш4)г304, который, являясь сильным электролитом, способствует повышению растворимости гипса, вызывая нежелательное ускорение его кристаллизации. В наших опытах наибольшими прочностью (45-60 МПа) и коэффициентом размягчения (0.6-0.7) обладало вяжущее, содержащее от 20 до 40 % шлама и 2 % моноаммонийфосфата.

На рисунке показано изменение структурно-механических показателей образцов, изготовленных прессованием при давлении 40 МПа смесей с влажностью 19 %, отличающихся различным

а)

20 40 60

Содержание шлама в вяжущем, мае. %

Зависимость прочности (а) образцов в высушенном (I) и водонасыщенном (2) состоянии, их водопог-лощения "Мп и коэффициента размягчения Кр (б) от содержания шлама в вяжущем:

—--с 2% моноаммснийфосфага;

---- без моноаммонийфосфата.

содержанием шлама при неизменной дозировке Щ4НгР04 (2 % от массы гипса и шлама). Для сравнения здесь же показано изменение этих характеристик для материала, не содержащего моноаммоний-фосфата.

Давление прессования является одним из решающих факторов, влияющих на свойства материала. Как показали наши опыты,- лучшими характеристиками обладает материал, полученный при давлении от 30 до 45 МПа. Оптимальная же величина давления зависит от содержания шлама в вяжущем и водотвердого отношения.

Другим не мене важным технологическим фактором, оказывающим влияние на прочность и водостойкость получаемого материала, является продолжительность перемешивания смеси. В процессе перемешивания протекают химические реакции между однозамещенным фосфатом аммония, гипсом и шламом, начинаются процессы гидратации вяжущего, которые могут значительно замедляться из-за блокирования зерен вяжущего слоем образующегося труднорастворимого дигидрофосфата кальция СаНР04-2Н20. Технологическое воздействие (в данном случае приложение к смеси прессующего давления) следует начинать в момент смены стадии гидратообразования вяжущего. Это позволяет более полно использовать конструктивные процессы, способствующие получению более прочного кристаллизационного каркаса на дальнейших стадиях структурообразова-ния. В нашем случае рациональное время перемешивания смеси зависит от количества вводимых добавок и находится в интервале от 8 до 14 мин.

Анализ экспериментальных данных, полученных в ходе реализации всех поставленных в данной работе, задач, указывает на тесную зависимость коэффициента размягчения материала от его максимального объемного водопоглощения. Полученная аналитическая зависимость коэффициента размягчения материала от его водопоглощения по объему носит линейный характер, и при любых сочетаниях рецептурных и технологических факторов описывается уравнением:

КР = 1 - 0.024

где КР - коэффициент размягчения; % - максимальное водопогло-щение по объему, %.

Проведенные исследования поровой структуры затвердевших вяжущих показывают, что используемые модифицирующие добавки способствуют уменьшению интегральной пористости, среднего радиуса капиллярных пор (Х^ и среднего размера пор (X). При этом увеличивается количество закрытых пор и улучшается показатель однородности пор (а). Структуру прессованного строительного гипса с добавками шлама и моноаммонийфосфата можно охарактеризовать как средне- и крупнопористую (1 <"Х < 7), а по однородности пор - как структуру средней однородности (0,15 < а < 7), что согласуется с параметрами поровой структуры водостойких гипсоцементнопуццолановых вяжущих, приводимых в работах А. В. Ферронской.

В четвертой главе выполнено экспериментально-статистическое моделирование свойств прессованных композиционных гипсовых вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе с применением методов математического планирования эксперимента и обработки результатов на ЭВМ.

На первом этапе исследований изучалось влияние количества тонкодисперсного наполнителя (X,) и соответствующего ему водотвердого отношения (Х3) на физико-механические свойства вяжущего, отпрессованного при различных давлениях (Х-;). Предварительные исследования показали возможность стабилизировать на данном этапе расход добавки моноаммонийфосфата в количестве 2 % от массы гипса и шлама, время: перемешивания смеси для всех составов принять равным 10 мин, а также определить уровни варьирования исследуемых факторов: Х1 изменяли в интервале от 0 до 40 %, Хг - от .20 до 60 МПа, Х3 - от 0,17 до 0, 20.

На втором этапе исследований изучали изменение показателей прочности и долговечности прессованного модифицированного строительного гипса в зависимости от количеств вводимых добавок шлама химводоочистки (Х1) и моноаммонийфосфата (Хг), которые изменяли в интервалах соответственно 10-30 % и 1-3 %. В качестве третьего фактора (Х3) было принято время перемешивания смеси, принимаемое в интервале от 5 до 15 мин.

В результате реализации двух трехуровневых трехфакторных экспериментов получен материал, характеризующийся широким диапазоном физико-механических свойств (см. таблицу).

Пределы изменения основных показателей свойств прессованного модифицированного строительного гипса

Номер плана эксперимента

Предел прочности при сжатии. МПа

в сухом состоянии

в водона-

сыщенном

состоянии

Коэффициент размягчения

Водопо-глощение по массе,

Средняя плотность, кг/м3

1 16,5-64,5 4,4-45,3 0,28-0,76 5,2-17.3 1620-2020

2 30,1-62,6 17.4-44.4 0,55-0.72 5,4- 8,7 1920-1950

Полученные экспериментально-статистические модели основных показателей конструктивности и долговечности прессованного композиционного материала обладают большой информативностью и высокой разрешающей способностью и позволяют с учетом взаимосвязи исследованных рецептурных и технологических факторов определять их значения для обеспечения максимальных или заданных свойств материала.

Прессованный строительный гипс, модифицированный добавками шлама химводоочистки и моноаммонийфосфата, обладает повышенной прочностью и водостойкостью. Это дает возможность использовать его для получения бетонов с различными заполнителями, снижая при этом расход вяжущего. Для оценки возможности получения мелкозернистых бетонов на основе модифицированного строительного гипса в данной работе был спланирован и проведен двухуровневый симплекс - суммированный план на вписанной окружности. В качестве заполнителя использовали сиенитовый песок стандартного гранулометрического состава. Среди множества факторов, оказывающих влияние на свойства прессованных мелкозернистых бетонов, нами были выделены два: концентрация вяжущего С (Х^ и давление прессования Р (Хг). Величину первого исследуемого фактора определяли с учетом значения коэффициента раздвижки зерен заполнителя а. При значениях а от 1,2 до 1.8 концентрация вяжущего изменялась в интервале от 0.572 до 0,863. Приготовленные смеси уплотняли давлениями от 30 до 50 МПа. Установлено, что

получение мелкозернистых бетонов с равной прочностью и водостойкостью при уменьшении концентрации вяжущего может быть достигнуто за счет увеличения давления прессования. В принятых интервалах варьирования исследуемых факторов полученные мелкозернистые бетоны характеризуются пределом прочности при сжатии в сухом состоянии от 30,5 до 46, 0 МПа и коэффициентом размягчения 0,51-0.62.

В пятой главе изучена стойкость прессованного строительного гипса, модифицированного добавками шлама химводоочистки и моно-аммонийфосфата, при длительном выдерживании в воде, попеременных увлажнениях и высушиваниях (воздухостойкость) и чередующихся замораживаниях и оттаиваниях (морозостойкость). Для сравнения испытаниям также подвергались прессованные и литые образцы из гипса без добавок.

Стойкость материалов при длительном хранении в воде оценивали через 2, 7, 28 и 90 сут. Из отобранных в каждом случае 10 образцов-цилиндров половину испытывали на сжатие в водонасы-щенном состоянии, а остальные - после высушивания до постоянной массы. По показателям прочности вычисляли коэффициенты размягчения КР и водостойкости Кв. Последний определяли на высушенных образцах как частное от деления прочности образцов, хранившихся соответствующее время в воде, к прочности образцов, хранившихся такой же срок на воздухе.

Опытные данные показали, что затвердевший прессованный модифицированный гипс обладает высокой стойкостью при длительном выдерживании в воде. С увеличением времени водного хранения коэффициент размягчения четырех исследованных составов, содержащих от 20 до 40 % шлама химводоочистки и 2 % моноаммоний-фосфата, несколько уменьшается, но даже через 90 сут остается выше 0,6. Коэффициент водостойкости этих составов через 1 и 7 сут водного хранения находится в интервале 0,96-1,12, а через 90 сут - 0,90-0,97. Стойкость образцов из прессованного и литого гипса без добавок оказалась значительно ниже. Через сутки пребывания образцов в воде их коэффициент размягчения составил соответственно 0,17 и 0,59, через 90 сут - 0.13 и 0,49. Через 90 суток водного хранения коэффициент водостойкости образцов из теста нормальной густоты понизился до 0,76, а у прессованных - до 0,77.

Для изучения стойкости материалов при попеременных увлажнениях и высушиваниях прессованные образцы (цилиндры, балочки) из модифицированного гипсового вяжущего и исходного подвергали многократно повторяющимся погружению в воду до полного водона-сыщения и высушиванию сначала на воздухе в течение 16 ч, а затем в сушильном шкафу при температуре 55° С - 6 ч. Через каждые 10 циклов испытаний из каждой серии отбирали по 10 образцов, половину которых испытывали на прочность при сжатии в высушенном, а остальные - в в'одонасыщенном состоянии. По показателям прочности вычисляли коэффициенты размягчения КР и воз-, духостойкости КВ03Д. Коэффициент воздухостойкости определяли на высушенных образцах как частное от деления прочности образцов, прошедших соответствующее количество циклов попеременных увлажнений и высушиваний, к их прочности при нулевом цикле испытаний.

Если принять допустимое снижение прочности материала в процессе циклических испытаний не более чем 25 % (КВ03Д > 0,75), то прессованные образцы из модифицированного гипсового вяжущего выдержали 115-120 циклов попеременных увлажнений-высушиваний. При таком же количестве циклов испытаний коэффициент размягчения исследованных составов составил 0,50-0,63. Прессованные и литые образцы из гипса без добавок выдержали соответственно 65 и 55 циклов испытаний.

Происходящие при циклических увлажнениях и высушиваниях необратимые линейные деформации через 120 циклов испытаний у мо- .. дифицированных гипсовых вяжущих составили от 0,58 до 0,77 мм/м,/ что на порядок меньше деформаций образцов из чистого гипса.

Образцы из модифицированного гипсового вяжущего, содержащего от 20 до 40 % шлама химводоочистки ТЭЦ и 2 % добавки моноаммонийфосфата, выдержали от 25 до 35 циклов попеременных замораживаний и оттаиваний, что является достаточным, для использования их в ограждающих конструкциях. Образцы без добавок из теста нормальной густоты выдержали 15 циклов испытаний, а прессованные были сняты с испытаний через 10 циклов, так как наблюдалось значительное разрушение поверхности образцов.

Таким образом, комплексом методов показана достаточная стойкость прессованного строительного гипса, модифицированного

добавками шлама химводоочистки и моноаммонийфосфата. к длительным и чередующимся температурно-влажностным воздействиям и доказана пригодность его использования для производства прессованных стеновых изделий.

В шестой главе описана технология производства штучных изделий из модифицированного строительного гипса, приведены данные о ее опытно-промышленной ■ проверке на базе АО "Дон-гипс" и дана технико-экономическая оценка предлагаемой технологии.

Технологический процесс изготовления изделий включает следующие операции: подготовка исходных компонентов, их дозирование, перемешивание формовочной смеси в смесительных- бегунах, подача смеси в бункер пресса, формование изделий и складирование.

При мощности цеха 2291,3 м3 в год условно-годовая экономия при производстве стеновых пустотных блоков из строительного гипса с добавками 20 % шлама и 2 % моноаммонийфосфата в сравнении с существующей технологией производства аналогичных изделий из цементно-минеральных композиций составляет в фиксированных ценах 1991 г. 178 200 руб., а в прогнозируемых ценах на 1995 г. - 123 935 700 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований разработаны составы модифицированного гипсового вяжущего для производства прессованных стеновых изделий, обладающих прочностью 45-65 МПа и коэффициентом размягчения 0,65-0,72.

2. Положительное влияние на структуру, прочность и водостойкость прессованного строительного гипса оказывает введение в состав вяжущего добавок шлама химводоочистки и однозамещенного фосфата аммония.

3. Комплексом методов физико-химического анализа установлен фазовый и минералогический составы затвердевшего композиционного вяжущего, в котором кроме двуводного гипса и кальцита обнаружено образование новой фазы - дигидрата дикальцийфосфата (СаНРО-2Нг0).

4. Выявленная новая фаза является малорастворимым соединением, изоморфным с двуводным гипсом. Образуясь на поверхности его кристаллов в виде экранирующих фазовых пленок, она значительно замедляет процессы гидратации вяжущего, способствует формированию монолитной мелкокристаллической структуры материала и повышению стойкости к различным физическим воздействиям.

5. Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что структура затвердевшего .'композиционного вяжущего сложена из плотно упакованных агрегатов хлопьевидных кристаллических образований, не характерных для двуводного гипса и кальцита. Прочно сросшиеся структурные агрегаты, согласно данным ДТА, РФА и ИК-спектроскопии, состоят из мельчайших кристаллов гипса и кальцита, сцементированных дигидратом дикальций-фосфата.

6. Поровая структура композиционного гипсового вяжущего существенно отличается от структуры прессованного строительного гипса без добавок: показатель однородности пор у нее в 1,5-2 раза больше, а показатель среднего размера пор в 3-4 раза меньше.

7. Получена аналитическая зависимость коэффициента, размягчения материала от величины максимального объемного водопогло-щения. Независимо от значений всех исследованных рецептурных и технологических факторов эта зависимость имеет линейный характер и описывается уравнением:

КР = 1 - 0.024 %.

8. Установлены математические зависимости прочности, коэффициента размягчения, средней плотности и водопоглощения прессованных композиционных вяжущих от основных рецептурных и технологических факторов, позволяющие определять условия получения материала с заданными свойствами.

9. Выявлена принципиальная возможность производства прессованных изделий из мелкозернистых бетонов на основе модифицированных гипсовых вяжущих и получены экспериментально-статистические модели зависимости их свойств от двух исследованных факторов: давления прессования и концентрации вяжущего.

10. Установлено, что полученные композиционные материалы обладают высокой стойкостью при длительном хранении в воде, попеременных увлажнениях-высушиваниях и замораживаниях-оттаиваниях. Долговечность композиционных материалов в 2-3 раза превышает долговечность литого и прессованного строительного гипса без добавок, что позволяет использовать их в ограждающих конструкциях.

11. Производственная проверка подтвердила возможность использования разработанных композиционных вяжущих при производстве штучных стеновых изделий для ограждающих конструкций зданий с влажностью внутри помещений более 75 % по предлагаемой технологии. Расчетный годовой экономический эффект. достигаемый при производстве прессованных пустотных блоков из модифицированных гипсовых вяжущих в сравнении с такими же изделиями из цементно-песчаных смесей составил в фиксированных ценах 1991 г. - 178 200 руб., а в прогнозируемых ценах на 1995 г. - 123 935 ООО руб.. при годовой производительности цеха 2291.3 ^ в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Юндин А.Н., Каклюгин A.B. О повышении водостойкости прессованных изделий на основе строительного гипса // Прочность и долговечность строительных материалов. - Ростов н/Д: Рост, гос. акад. стр-ва, 1994. - С. 28-36.

2. Юндин А.Н., Каклюгин A.B. Оптимизация некоторых факторов, определяющих водостойкость прессованного гипса // Прочность и долговечность строительных материалов. - Ростов н/Д: Рост. гос. акад. стр-ва, 1994. - С. 87-92.

3. Юндин А.Н., Каклюгин A.B., Акопджанов Р.Г. Увеличение прочности и водостойкости прессованного строительного гипса // Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций: Матер. Межд. конф. - Ростов н/Д: Рост. гос. акад. стр-ва, 1994. - С. 85-89.

4. ЮндинА.Н., Каклюгин A.B. Высокопрочный и долговечный материал на основе строительного гипса, модифицированного неорганическими добавками // Вопросы планирования и застройки городов: Тез. докл. 'Межд. конф. - Пенза: Пензенский гос. арх. -стр. ин-т, 1995. - С. 76-78.

5. Юндин А.Н., Каклюгин A.B. Прочность и водостойкость прессованных гипсовых изделий // Научно-технические достижения в области дорожных строительных материалов, строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог и искусственных < сооружений: Тез. докл. Межд. конф. - Липецк: Управление автомоб. дорог адм. Липецкой обл., 1995. - С. 98.

ЛР й 020818. Подписано в печать 10.10.95 . формат 60 х 8 4 1/1б> Бумага писчая. Ксерокс. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 80 экз. С Зов

Редакщлоцно-издаяельиний центр Ростовскои-на-Дону государственной академии строительства.

Росюв-иа-Дону, уд.Социалистическая, 16г.