Исследование гидрофобизации гипсовых и копозиционно-гипсовых материалов

УДК 691.3

Н. Н. Морозова, Н. В. Майсурадзе, В. В. Клоков

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ГИПСОВЫХ И КОПОЗИЦИОННО-ГИПСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: Гидрофобизация, этилгидросиликоновый полимер, Пента 811, ГКЖ, водопоглощение, прочность.

Исследовано влияние гидрофобизаторов - этилгидросиликонового полимера и жидкости Пента 811 на свойства чисто гипсовых и композиционно- гипсовых материалов. Установлено, что введение гидрофобизаторов замедляет сроки схватывания, снижает водопоглощение и повышает прочность.

Keywords: Gidrofobization, ethylhydrosilicone polymer, Penta 811, GKZh, water absorption, durability.

Influence of gidrofobizator - ethylhydrosilicone polymer and Penta liquid 811 on properties of purely plaster and composite plaster materials is investigated. It is established that introduction of gidrofobizator slows down skhvatyvaniye terms, reduces water absorption and increases durability.

Введение

Долговечность зданий и сооружений зависит от множества факторов, но наибольшее значение имеет уровень организации защиты строительных конструкций от агрессивного воздействия окружающей среды и, в первую очередь, влаги. На практике применяются два принципиально разных способа решения этой задачи: гидроизоляция и гидрофобизация. Гидроизоляция предполагает создание на поверхности защищаемых конструкций слоя водо- и паронепроницаемого материала определенной (иногда весьма значительной) толщины или пропитку строительных изделий из пористых материалов органическим вяжущим, закрывающим поры. Принцип действия гидроизоляции хорошо известен, существует огромное количество исследований и публикаций по гидроизоляции [1-3]. Не менее известен и способ гидрофобизации, например, бетона [4-6]. Авторы работ показали зависимость гидрофобизаторов не только от параметров внешней среды, но от вида подложки, на которую они были нанесены. При этом гипсовые и гипсосодержащие материалы не рассматривались. Развитие строительной химии на современном этапе сопровождается изменением условий их применения и появлением новых материалов. Поэтому наиболее актуальным вопросом является изучение и подбор гидрофобизатора, а также исследование гидрофобизирующего эффекта на гипсосодержащих материалах. Гидрофобизация - резкое снижение способности изделий и материалов смачиваться водой и водными растворами при сохранении паро-и газопроницаемости. Гидрофобные покрытия в виде мономолекулярных слоев или тонких пленок получают обработкой материала растворами или эмульсиями гидрофобизаторов - веществ, слабо взаимодействующих с водой, но прочно удерживающихся на поверхности. В качестве гидрофобизаторов применяют соли жирных кислот, некоторых металлов (медь, алюминий, цирконий и т.д.), катионо-активные поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также низко- и высокомолекулярные кремнийорганические

фторорганические соединения.

Основным материалом в исследованиях по их гидрофобизации были цементы и бетоны на их основе, силикатные и керамические материалы, твердеющие при естественных условиях и при термовлажностных [1-6], но гипсовые и гипсосодержащие материалы не изучались.

В настоящее время строительные материалы на основе гипсовых вяжущих находят все большее применение при реконструкции, ремонте и строительстве зданий. И, как показала практика, это применение является очень эффективным. К сожалению, высокое водопоглощение и низкая водостойкость этого материала ограничивает его использование для наружных работ [7]. Одним из путей решения этой проблемы является использование гидрофобизации.

Существует два вида гидрофобизации материалов и изделий - поверхностная и объемная. В первом случае обрабатывается уже готовое изделие, и этот способ обычно применяется в реставрационной практике, а также для окончательной отделки небольших объектов, например, лепнины и других элементов декора.

Материалы исследования

Поскольку в исследуемом композиционном гипсовом вяжущем (КГВ) 55% составляет гипсовое вяжущее, то первоначально проведено исследование объемной гидрофобизации на чисто гипсовом вяжущем, а затем на КГВ.

В качестве гидрофобизаторов были использованы ГКЖ-135-157м (аналог жидкости 13641 (ГКЖ 94) и STACHEMENT 2481. Кремнийорганическая жидкость ГКЖ-135-157м является продуктом российского производства и выпускается на ПАО «Химпром» г. Новочебоксарск по ГОСТ 10834-76. Кремнийорганическая жидкость ГКЖ-135-157м является этилгидросиликоновым полимером, хорошо эмульгируется в воде и, как известно из литературы, легко вступает в реакции с гидроксильными и другими активными группами и прочно закрепляется на различных поверхностях благодаря наличию активного водорода у атома кремния. Производители этого материала рекомендуют ее в строительстве для обработки

бетонных, кирпичных материалов, плит и натурального камня не указывая вид вяжущего, что существенно может отразиться на долговечности конструкции.

При использовании кремнийорганической жидкости для придания гидрофобного эффекта портландцементу, авторы [5] полагали, что пленка кремнийорганического соединения химически фиксируется на поверхности частиц портландцементного клинкера при его помоле, а водяной пар, появляющийся при частичной дегидратации гипса, вводимого в портландцемент при помоле, активирует поверхность частиц клинкера в отношении к ГКЖ-94. Активация объясняется тем, что изменяется поверхность частиц клинкера с выделением небольшого количества Са(ОН)2, который взаимодействует с кремнийорганической жидкостью:

Такая гидрофобизация портландцемента способствовала улучшению физико-механических свойств материала и его сохранности во влажных условиях при введении всего лишь 0,04%. Это в 2,5 раза меньше по сравнению с органическими гидрофоизаторами.

В работе использована добавка ГКЖ-135-157м в виде водной эмульсии полиэтилгидросилоксана, включающей 1,5-1,8 % активного водорода и без механических примесей.

Добавка STACHEMENT 2481 является продуктом чешско-российского предприятия ЗАО «Стахема-Волга» г. Тольятти, по данным фирмы добавка имеет поликарбоксилатную основу и эффективна для производства бетонов не только для получения высокой прочности, но и водонепроницаемости и долговечности.

Оптимальная дозировка добавки STACHEMENT 2481 установленная производителем находится в интервале от 0,15 до 1,4% от массы цемента. Отличается универсальностью и придает высокую раннюю прочность цементному бетону. Эти свойства характерны бетонам с использованием широкого спектра поликарбоксилатов [8].

Гидрофобизирующую жидкость марки Пента 811 производит ООО «Пента-91» г. Москва по ТУ 2229063-40245042-04. Гидрофобизатор силиконовый марки «Пента-811» представляет собой водный раствор метилсиликоната калия. В качестве примеси содержит до 5% гидроксида калия. Силиконовая гидрофобизирующая жидкость марки Пента 811 позиционируется производителем, как вещество, позволяющее получать бетоны повышенной

морозостойкости (500 циклов вместо 200-300 циклов) и водонепроницаемости ^-10 вместо W 46). Однако, исследования выполнены только на цементных системах.

Выбор данных добавок обусловлен их высокой эффективностью в цементных системах и отсутствием исследований в гипсовых, гипсодержащих и малоклинкерных материалах.

Экспериментальная часть

В данном исследовании приводятся результаты по влиянию добавок ГКЖ 135-157м , STACHEMENT 2481 и Пента 811 в чисто гипсовом вяжущем и в смеси с портландцементом. Последние вещество представляет собой композиционное гипсовое вяжущее (КГВ), состоящее из 55% гипсового вяжущего марки Г6, остальное белый портландцемент с добавкой пуццоланового свойства. КГВ белого цвета готовили путем помола гипса, портландцемента, активной минеральной добавки (далее АМД) и ТЮ2 в лабораторной вибрационной мельнице для получения однородной минеральной массы вяжущего. В качестве АМД использовали метакаолин, количество которого выбиралось из условия определения пуццолановой реакции между Са(ОН)2 и активным SiO2 метакаолина в системе "гипс-портландцемент-АМД".

В таблице 1 приведены данные по влиянию гидрофобизаторов (ГФ) на подвижность и сроки схватывания немолотого и молотого гипсового вяжущего.

Как видно из таблицы 1, увеличение тонины помола гипсового вяжущего в 2 раза приводит к аналогичному росту его водопотребности и уменьшению в 2,3 - 3 раза сроков схватывания. Введение добавки ГКЖ 135-157м в гипсовое вяжущее при помоле способствует замедлению его твердения и интенсивному образованию воздушных включений (рис.1-3). Незначительное замедление схватывания гипсового теста наблюдается при дозировках до 0,5%, увеличение добавки ГКЖ 135-157м до 1% существенно замеляет твердение гипсового теста. Изменение водопотребности гипсового теста с добавкой ГКЖ 135-157м в исследованном диапазоне дозировок не установлено. Применение добавки STACHEMENT 2481 также вызывает эффект сдвига начала и конца твердения гипсового теста, но как пластификатор она в этой системе малоэффективна.

Снижение количества гидрофобизатора ГКЖ 135-157м в гипсовом тесте способствует уменьшению количества и размера воздушных включений. При этом снижения расхода воды затворения не происходит. Добавка гидрофобизатора ГКЖ 135-157м проверена в КГВ смеси путем оценки его водопоглощения.

Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №16 Таблица 1 - Влияние гидрофобизаторов на подвижность и сроки схватывания гипсового вяжущего

Время Вид ГФ и удельная Количество ГФ, В/Г Значение Сроки схватывания,

помола, поверхность вяжущего % расплыва мин-сек

мин теста, см начало конец

0 Без ГФ, Sуд=7400 см2/г - 0,6 16,5-17 13-00 16-00

3 Без ГФ, Sуд=14700 см2/г - 1,25 15-15,5 4-30 6-45

3 ГКЖ 135-157 м (бывш. 94М) Sуд=12490 см2/г 1% Масса сильно пенится рис. 1 1,25 17,5-18 7-30 12-50

3 ГКЖ 135-157 м (бывш. 94) Sуд=12480 см2/г 0,5% рис.2 1,25 16,5-16,7 5-45 7-45

3 ГКЖ 135-157 м (бывш. 94М) Sуд=12460 см2/г 0,25% рис.3 1,25 15,5-15,7 5-20 7-20

0 STACHEMENT 2481 Sуд=7400 см2/г 0,6 % по жидкому 0,48 11-12 10-00 12-30

0 STACHEMENT 2481 Sуд=7400 см2/г 1,2 % по жидкому 0,48 12-12,5 13-00 15-00

Рис. 1 - Гипсовое тесто из молотого с 1% ГКЖ

135-157м

Рис. 2 - Гипсовое тесто с 0,5% ГКЖ 135-157 м

Рис. 3- Гипсовое тесто с 0,25% ГКЖ 135-157 м

Как видно из результатов таблицы 2, состав без гидрофобизатора в первые часы испытания имеет водопоглощение более 5%, введение добавки ГКЖ 135-157м в количестве 0,5% практически не изменяет их водопоглощение, только 1% добавки ГКЖ позволяет снизить водопоглощение в 2,3 раза, а 1,5% - в 3,4 раза. При исследовании водопоглощения после одних суток водонасыщения

составы с добавкой ГКЖ 135-157м стали интенсивно поглощать воду. Это обстоятельство мы связываем с интенсивным образованием воздушных пор, за счет газообразования в момент затворения смеси водой (рис. 1-3). Высокосульфатная среда КГВ по-иному оказывает действие на процессы твердения, чем портландцемент. С увеличением количества добавки ГКЖ 135-157м в смеси КГВ возрастает водопоглощение, а не гидрофобный эффект.

Таблица 2 - Изменение водопоглощения КГВ-камня с добавкой ГКЖ 135-157м

Кол-во ГКЖ, % Водопоглощение, %

через час через сутки

1 2 3 4 5 1 2 7

0 3,64 4,32 4,76 5,1 5,17 6,43 7,22 8,88

0,5 2,7 3,75 4,43 4,9 5,18 6,58 7,28 8,83

1 0,99 1,34 1,73 2,1 2,19 6,57 8,34 11,72

1,5 0,89 1,1 1,26 1,5 1,53 5,95 8,82 15,0

Таблица 3 - Влияние гидрофобной жидкости Пента 811 на свойства КГВ камня белого цвета с 6% метакаолина

№ состава Добавки В/В Диаметр рас-плыва, см Плотность, кг/м3 Прочно сть на сжатие, МПа

наименование количество мас. %

1 Пента 811 0,5 0,3 17-15 1692,5 1714,1 1695,4 36,3 32,5 35,7

МеШих 558№ 0,7

Среднее значение: 1700,7 34,8

2 Пента 811 0,5 0,27 1212,5 1670 1689 1678 57,58 61,85 58,43

МеШих 558№ 0,7

Среднее значение: 1679 59,29

3 Пента 811 1,0 0,25 11-12 1671 1691 1685 56,56 59,41 57,23

МеШих 558№ 0,7

Среднее значение: 1682 57,73

Введение дополнительно гидрофобной жидкости Пента 811 в КГВ -смесь в количестве 0,5% позволяет снизить В/В на 10% при этом прочность возрастает на 70%. Введение добавки Пента 811 в количестве 1-го % больше снижает расход воды затворения, но прочность незначительно снижается (на 3%).

Выводы

На основе проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

- добавка ГКЖ 135-157м в гипсовое вяжущее вызывает образование воздушных включений и незначительное замедление схватывания;

- увеличение количества добавки ГКЖ 135-157м в смеси КГВ приводит к росту водопоглощения, а не гидрофобного эффекта;

- гидрофобная жидкость Пента 811 совместно с Melflux 5581F, в отличии от ГКЖ 135-157м снижает В/В на 10% и повышает прочность на 70%.

Литература

1. Kolosov A.E., Repelis I.A., Khozin V.G., Klyavlin V.V.

Impregnation of fibrous fillers with polymer binders. 2.

Effect of the impregnation regimes on the strength of the

impregnated fillers// Mechanics of Composite Materials. 1988. Т. 24. № 3. С. 373-380.

2. Мухаметрахимов Р.Х., Изотов В.С. Исследование влияния кремнийорганических соединений на свойства фиброцементных плит // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 4. С. 254-259.

3. Мурафа А.В., Макаров Д.Б., Нуриев М.А., Хозин В.Г. Битумно-латексные эмульсионные мастики гидроизоляционного и герметизирующего назначения// Клеи. Герметики, Технологии. 2012. № 8. С. 18-21.

4. Морозова Н.Н., Кузнецова Г.В., Хозин В.Г. Подрезной слой и гидрофобизатор в производстве газобетона// Строительные материалы. 2015. № 8. С. 8-9.

5. Алентьев А.А. и др. Кремнийорганические гидрофобизаторы. К.: государственное издательство технической литературы УССР, 1962, 112 с.

6. Соловьев В.И. Бетоны с гидрофобизирующими добавками. М.: Стройиздат, 1990.- 112 с.

7. Равшанов З. А., Ваккосов С. С., Талипов Н. Х. Физико-химические основы формирования структуры гипсовых вяжущих материалов // Молодой ученый. — 2016. — №7.2. — С. 15-19.

8. Морозов Н.М., Морозова Н.Н. Исследование долговечности модифицированных бетонов для монолитного строительства// Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 4. С. 312-318.

© Н. Н. Морозова - к.т.н., доцент кафедры технологии строительных материалов и изделий (ТСМИК) КГАСУ, ninamor@mail.ru; Н. В. Майсурадзе - к.т.н., доцент, кафедра ТСМИК, КГАСУ, e-mail: maisuradze64@mail.ru; В. В. Клоков -студент института строительных технологий и инженерно-экологических систем КГАСУ, e-mail: vlad-klokov@mail.ru.

© N. N. Morozovа - candidate of technical sciences, associate professor of the Departmen of Technology of building materials, products and structures, KSUAE, ninamor@mail.ru; N. V. Maisuradze - candidate of technical sciences, associate professor, department of technology of construction materials, products and designs, Kazan State University of Architecture and Engineering; V. V. Klokov - student of department of construction technologies and engineering-ecological systems of KSUAE e-mail: vlad-klokov@mail.ru.