Технология изготовления гипсоволокнистых листов на основе целлюлозных волокон

УДК 691.332

Р. Х. Мухаметрахимов, А. Н. Дикина

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИПСОВОЛОКНИСТЫХ ЛИСТОВ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: гипсоволокнистые листы, дисперсное армирование, целлюлозные волокна.

В работе описаны технологические процессы изготовления гипсоволокнистых листов (ГВЛ). Рассмотрены методики их испытания и требования к физико-механическим характеристикам. Изложены результаты экспериментальных исследований влияния целлюлозных волокон на физико-механические свойства ГВЛ. Показано положительное влияние пластифицирующей добавки на исследуемые свойства ГВЛ.

Keywords: gypsum-fiber sheets, disperse reinforcing, cellulose fibers.

In work technological processes ofproduction of gypsum-fiber sheets are described. Techniques of their test and the requirement to physicomechanical characteristics are considered. Results ofpilot studies of influence of cellulose fibers on physicomechanical properties of gypsum-fiber sheets are stated. It is shown positive the plasticizing additive on the studied properties of gypsum-fiber sheets.

Введение

В настоящее время на строительном рынке представлено множество материалов для изготовления гипсоволокнистых листов (ГВЛ) для внутренней и наружной отделки зданий и сооружений. При этом весьма актуальным вопросом является получение высокоэффективных материалов, сочетающих высокие эксплуатационные, экологические и декоративные свойства, отличающихся низкой себестоимостью по сравнению с аналогами.

ГВЛ являются биопозитивным материалом с высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, могут использоваться в зданиях различного назначения и класса функциональной и пожарной опасности. Однако гипсовые материалы и изделия на их основе имеют ряд недостатков, которые ограничивают область их применения. К таким недостаткам относятся высокое водопоглощение, низкая водостойкость, что ограничивает их применение во влажных средах, а так же хрупкость и невысокий предел прочности при изгибе, что приводит к невозможности их использования в тонкостенных конструкциях.

ГВЛ соответствуют группе горючести Г1 (слабогорючие), группе воспламеняемости В1 (трудновос-пламеняемые), группе дымообразующей способности Д1 (с малой дымообразующей способностью), группе токсичности продуктов горения Т1 (малоопасные) и нераспространяющие пламя по поверхности (РП1) [1,2].

В соответствии с определениями ГОСТ Р 518292001 [3] гипсоволокнистыми листами называются листовые изделия, получаемые из гипсового вяжущего и целлюлозного волокна (в том числе распушенной макулатуры). СП 00.13330.2012 дает определение гипсоволокнистым листам, как гомогенному листовому изделию, полученному методом полусухого прессования из смеси гипсового вяжущего и распушенной макулатуры [4].

Различают листы гипсоволокнистые обычные и влагостойкие. Требования к физико-механическим характеристикам ГВЛ приведены в таблице 1.

В ранее выполненных исследованиях показано влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего

[5]. Особый интерес представляет возможность организации производства ГВЛ на основе целлюлозных волокон и низкомарочного гипсового вяжущего сырьевой базы Республики Татарстан. Весьма актуальной задачей является изучение влияния объемного содержания целлюлозных волокон на основные физико-механические свойства модифицированного низкомарочного гипсового вяжущего.

Таблица 1 - Требования и технические характе-

Наименование и единица измерения Значение

характеристики

Предел прочности при изгибе, МПа,

при номинальной толщине листа (мм): 5,4-6,6

до 10,0 включ.

св. 10,0 до 12,5 4,95-6,05

» 12,5 » 15,0 4,5-5,5

» 15,0 » 18,0 4,32-5,28

» 18,0 » 20,0 4,05-4,95

» 20,0 3,87-4,73

Влажность, % <1,5

Поверхностное водопоглощение*, кг/м2*ч <1,0

Теплопроводность при средней плотности 1-1,2 т/м3, Вт/(м -°С) 0,22-0,36

Коэффициент теплоусвоения, Вт/(м2-°С) <6,2

Сопротивление паропроницанию, м2-ч-Па/мг 0,12

Твердость*, МПа >20

Технологический процесс производства ГВЛ состоит из следующих операций: подготовка сырья -строительного гипса и волокнистой пульпы; дозировки компонентов формовочной массы; смешения массы в смесителе; отливки изделия на сетке с последующем удалением из него избытка воды; уплотнения гипсоволокнистых панелей под прессом с доведением их толщины до заданного размера; сушки в искусственных сушилках; обрезки кромок и укладки панелей в штабеля на складе.

Схема производства гипсоволокнистых листов приведена на рис. 1.

Рис. 1 - Схема производства гипсоволокнистых листов: 1 - гидроразбиватель, 2 - бункер гипса, 3

- аппарат для обработки гипса паром, 4 - мерник строительного гипса, 5 - бункер для гипса, 6 -дозатор с мешалкой, 7 - формовочный агрегат, 8

- вагонетка, 9 - сушилка, 10 - массный бассейн, 11, 13 - массные насосы, 12 - сдвоенный бассейн, 14 - центробежные насосы, 15 - ресивер, 16 - вакуум насос, 17 - гидрогрузовой аккумулятор, 18 -насос, 19 - бачок для воды, 20 - обрезка кромок, 21 - электрокара, 22 - склад готовых панелей

В качестве волокнистого материала могут быть использованы различные виды волокнистого сырья, обладающие высокой гипсоудерживающей способностью (целлюлоза, бумажная макулатура, солома, камыш и др.). В работе [7] изучена стойкость фиб-рогипсовых композиций на различных вяжущих и волокнах.

Для распушки целлюлозы применяют роллы и гидроразбиватели (гидропульперы) до получения заданных характеристик волокон. Далее измельченная масса перемешивается одним из трех способов: механическими смесителями, многократной циркуляцией массы или принудительным взбалтыванием (пропускание через пульпу сжатого воздуха).

Для формования гипсоволокнистых листов применяют вакуумформующий агрегат, состоящий из дозаторов для компонентов формовочной массы, смесителя для смешивания строительного гипса с гипсоволокнистой пульпой, формовочного узла, сетчатого транспортера периодического действия, передаточной тележки с транспортером, пресса, механизма для погрузки отформованных листов на сушильные вагонетки [6].

По окончанию вакуумирования гипсоволокни-стая масса приобретает вид рыхлой войлокообраз-ной плиты, толщина которой вследствие большой пористости и малого объемного веса больше толщины готовой панели. Остаточная влажность гипсо-волокнистой массы после вакуумирования колеблется в пределах 60-70%.

По толщине листы калибруются прессованием, при этом из массы удаляется избыточное количество воды и происходит ее уплотнение. Удельное давление прессования составляет 200 кг/см2. Гипсово-локнистые листы прессуют в 2 стадии, на первой стадии происходит уплотнение листов до заданного значения, на второй - удерживание в спрессованном состоянии до окончания схватывания.

После прессования изделие передается на разгрузочное устройство и подвергается сушке. Влажность ГВЛ после прессования составляет 35-40%, после сушки снижается до 2,0-3,0%. После сушки листы подвергаются механической обработке, где обрезаются их торцовые кромки. Готовая продукция укладывается штабелями и маркируется. Испытание ГВЛ производят в соответствии с ГОСТ Р 518292001 [3]. Гипсоволокнистые листы испытывают на прочность, хрупкость, водопоглощение, морозостойкость, огнестойкость.

Содержание естественных радионуклидов определяют по ГОСТ 30108. Группу горючести листов определяют по ГОСТ 30244, группу воспламеняемости - по ГОСТ 30402, группу дымообразующей способности и группу токсичности - по ГОСТ 12.1.044.

Цель настоящих исследований - изучить влияние целлюлозных волокон в сочетании с пластифицирующей добавкой на реологические и физико-механические свойства низкомарочного гипсового вяжущего.

Экспериментальная часть

В процессе исследований были использованы следующие материалы:

а) вяжущие:

- строительный гипс Г6Б11 производства ООО «Аракчинский гипс», произведенный по ГОСТ 125-79;

б) модифицирующие добавки:

- гиперпластификатор «Одолит-К» производства ООО «Сервис-Групп» произведенный по ТУ 574501-96326574-08;

в) волокна:

- в качестве волокнистого материала использовалась целлюлоза хвойная сульфатная небеленая марки НСК-0, производства ОАО «Соломбальский ЦБК» по СТО 00279189-2-2007. Механическая прочность при размоле в мельнице ЦРА до 60° ШР: разрывная длина, км, не менее - 10,0; абсолютное сопротивление продавливанию, кПа (кгс/см2), не менее - 520(5,3).

д) вода:

- водопроводная питьевая вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732.

На первом этапе исследовали реологические свойства гипсового вяжущего с модифицирующей добавкой и без нее по методике ГОСТ 23789-79.

На втором этапе производили распушку целлюлозных волокон в расчетном количестве воды затво-рения, в том числе в присутствии модифицирующей добавки с определением В/Т отношения для каждого состава.

На третьем этапе проводилось перемешивание компонентов гипсоволокнистой смеси с последующим формованием и испытанием образцов.

Испытания образцов после их твердения проводились по методике описанной в ГОСТ Р 518292001 [3].

Результаты исследований

В табл. 2 показано влияние исследуемой модифицирующей добавки на нормальную густоту и сроки схватывания гипсового вяжущего.

Таблица 2 - Исследование влияния гиперпластификатора «Одолит-К» на реологические свойства гипсового вяжущего

Вид ГП Содержание ГП, % от массы вяжущего В/Т Сроки схватывания, мин

Начало Конец

- - 0,51 9 11

Одолит-К 0,5 0,47 8% 5 9

1 0,45 12% 14 21

1,5 0,43 15% 23 32

2,0 0,41 19,2 34 42

2,5 04 21,6 42 51

Как видно из данных табл. 2, ГП в зависимости от содержания в составе смеси оказывает различное влияние на водоредуцирующий эффект и сроки схватывания вяжущего. Так введение ГП в количестве 0,5% приводит к сокращению времени начала (на 4 мин) и конца (на 3 мин) схватывания. Увеличение содержания ГП в составе смеси более до 1,02,5% приводит к удлинению сроков начала (на 5-33 мин) и конца (на 10-40 мин) схватывания.

На рис.2 показана линейная зависимость В/Т отношения от процентного содержания целлюлозного волокна в матрице. Как видно, при увеличении содержания целлюлозного волокна увеличивается В/Т отношение. Введение модифицирующей добавки позволяет снизить В/Т отношение на 0,1-0,2.

у = К1234х + 0.3" 57

11г = 0.9802

V = 0.1554х + 0. 1.89

11г = 0.9733

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Содержимое целлюлозного волокна. %

♦Состав бездобавкн • СоставзюднфнцироБаннын 1 °о 111 г'Одолнт-К"

Рис. 2 - Зависимости В/Т отношения от содержания целлюлозного волокна: 1 - исходная матрица; 2 - модифицированная матрица

Зависимости пределов прочности при изгибе и сжатии ГВЛ от содержания целлюлозных волокон и гиперпластификатора приведены на рис.3, 4.

Получены следующие уравнения регрессии, характеризующие влияние исследуемых целлюлозных волокон на предел прочности при изгибе ГВЛ, достоверность которых составляет 0,93-0,96: Кизг(исх.)= -2,0415х3 - 1,9259х2 + 23,255х + 71,841;

Яизг(модиф.)= 14,985х3 - 75,059х2 + 96,102х + 93,156.

Содержание целлюлозного волокна, %

Без пластификатора ИсГП 1гОдолит-К1г - 1%

Рис. 3 - Зависимости предела прочности при изгибе ГВЛ от содержания целлюлозных волокон: 1 - исходная матрица; 2 - модифицированная матрица

♦ Без пластификатора 1сГП "Одолит-К" - 1 "ъ

Рис. 4 - Зависимости предела прочности при сжатии ГВЛ от содержания целлюлозных волокон: 1 - исходная матрица; 2 - модифицированная матрица

Получены следующие уравнения регрессии, характеризующие влияние исследуемых целлюлозных волокон на предел прочности при сжатии ГВЛ, достоверность которых составляет 0,96-0,99: Ясж(исх.)= 14,985х3 - 75,059х2 + 96,102х + 93,156; Ясж (модиф.)= 53,963х3 - 234,33х + 191,51х + 254,75.

Как видно (рис.3,4) введение целлюлозных волокон в состав гипсовой матрицы в зависимости от объемного содержания оказывает различное влияние на предел прочности при изгибе ГВЛ.

С увеличением содержания целлюлозных волокон в составе исходной матрицы (0-2%) увеличивается предел прочности при изгибе на (43,3-61,7%). Дальнейшее увеличение содержания волокон приводит к снижению прочности. Дисперсное армирование модифицированной гипсовой матрицы в тех же интервалах приводит к повышению прочности на (36,6-10,8%) или на (211,7-171,7%) по сравнению с исходной матрицей. При этом следует отметить, что максимальное увеличение прочности достигается при меньшем содержании волокон в составе смеси (0,5-1%), что на наш взгляд обусловлено лучшей анкерующей способностью матрицы на основе модифицированного вяжущего.

Максимальный показатель предела прочности при сжатии ГВЛ на основе исходной и модифицированной матрицы достигается при содержании во-

локон в количестве 0,5-1,0%. Прочность при этом увеличивается на 9,3-13% для исходного и на 12,44,7 для модифицированного состава. Увеличение прочности по сравнению с контрольным составом составляет 80,1-67,7%. Дальнейшее увеличение содержания волокон в составе смеси, приводит к снижению прочности при сжатии ГВЛ.

Заключение

1. Определены основные технологические этапы и параметры производства ГВЛ на основе целлюлозных волокон и низкомарочного гипсового вяжущего.

2. Показано, что введение исследуемой модифицирующей добавки позволяет снизить В/Т отношение, что приводит к уплотнению материала, снижению сроков начала и конца схватывания, что повышает технологичность при производстве.

3. Установлено, что введение гиперпластификатора «Одолит-К» позволяет значительно увеличить пределы прочности дисперсно-армированного гипсового камня при меньшем содержании целлюлозных волокон в составе матрицы. Так, максимальные повышения значений пределов прочности при изгибе (12,7 МПа) и сжатии (29 МПа) достигаются при содержании волокон в количестве 0,5-1%.

4. Показана эффективность целлюлозных волокон марки НСК-0 для дисперсного армирования исходной и модифицированной гипсовой матрицы на основе низкомарочного гипса. Максимальные показатели пределов прочности при изгибе (9,5 и 12,7

МПа) и сжатии (17,6 и 29 МПа) достигаются при введении в состав целлюлозных волокон в количестве 0,5-1,5% при изгибе и 0,5-1,0% при сжатии.

Работа поддержана фондом содействия инновациям и инвестиционно-венчурным фондом республики Татарстан.

Литература

1. Поплавский, В.В. Сухое сборное основание пола из гипсоволокнистых листов Кнауф / В.В. Поплавский // Строительные материалы. - 2000. - №3 (543) - С. 6-7.

2. Витеска М. Оценка огнестойкости гипсовых листов / М. Витеска, Х.У. Хуммель, С. Дич, Х.Б. Фишер // Строительные материалы. - 2012. - №12 - С. 22-25.

3. ГОСТ Р 51829-2001 «Листы гипсоволокнистые. Технические условия».

4. СП 00.13330.2012 «Конструкции с применением гип-сокатронных и гипсоволокнистых листов»/

5. Изотов В.С. Влияние полипропиленовых волокон на основные свойства гипсоцементно-пуццоланового вяжущего / В.С. Изотов, Р.Х. Мухаметрахимов, А.Р. Гала-утдинов // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С. 135-137.

6. Печуро С.С. Производство гипсовых и гипсо-бетонных изделий и конструкций / Печуро С.С. - Москва; Высшая школа, 1971. - 143 с.

7. Коровяков В.Ф. Стойкость фиброгипсовых композиций на различных вяжущих и волокнах / В.Ф. Коровяков // Сборник технической информации, вып. 1, ГУП НИИМосстрой, 2005. - 52 с.

© Р. Х. Мухаметрахимов, канд. техн. наук, доц. каф. «Технология, организация и механизация строительства» КГАСУ, muhametrahimov@mail.ru; А. Н. Дикина, магистрант той же кафедры.

© R. Kh. Mukhametrakhimov, Ph.D. in Engineering, Associate Professor of Dept. of Technology, Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering, muhametrahimov@mail.ru; A. N. Dikina, master of technology Organization and Mechanization of Construction, Kazan State University of Architecture and Engineering.