Эффективные глиноцементные композиции, модифицированные органическими добавками

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 691.554

Ю.Г. Иващенко, К.К. Мухамбеткалиев, Д.К. Тимохин

ЭФФЕКТИВНЫЕ ГЛИНОЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

В данной статье рассматриваются глиноцементные безобжиговые составы для штучных строительных материалов. Описаны процессы структурооб-разования в присутствии органических добавок АЦФ и ГКЖ-11. Проведено сравнение основных физико-механических характеристик глиноцементных композиций при различных давлениях прессования. Так же проведено сравнение глиноцементных композиций с добавками и силикатного кирпича.

Глина, цемент, безобжиговый, энергоэффективный, прочность, полусухое прессование

Yu.G. Ivashchenko, K.K. Muhambetkaliev, D.K. Timokhin

EFFECTIVE CLAY-CEMENT COMPOSITIONS MODIFIED BY ORGANIC ADDITIVES

The article considers the clay-cement non-fired composites utilized in unique constructions. The authors describe the processes of structure formation using the organic ACF and GKJ-11 additives. A comparison is provided for the main physical and mechanical characteristics of clay-cement composites under the various pressing behaviour. Additional comparison is made for the clay-cement compositions with silica brick additives.

Clay, cement, chemically bonded, energy efficiency, durability, dry pressing

Рассматривая современную тенденцию энергосберегающих строительных технологий следует отметить, что технология безобжигового производства изделий на основе глины является одной из приоритетных задач строительного материаловедения. Индивидуальное жилищное строительство в России в последние годы развивается стремительными темпами. Снижение стоимость жилья напрямую зависит от стоимости используемых строительных материалов, в свою очередь снижение себестоимости строительной продукции в целом зависит от степени обеспеченности местными материалами. Отечественный и зарубежный опыт малоэтажного строительства показывает, что при устройстве фундаментов малоэтажных зданий глиноцементные материалы позволяют исключить применение металла, привозных материалов (щебня, песка) и снизить расход цемента. При должной обработке глинистых минералов и при грамотном конструировании сооружений обеспечивается необходимая долговечность зданий. Ограниченное использование глин, в настоящее время, связано с предвзятым отношением строителей и специалистов к ним, как к отжившему материалу, а также в связи с отсутствием справочной литературы, освещающей вопросы современного строительства из глин с учетом местных природно-климатических условий.

Глина - один из наиболее доступных и распространенных сырьевых компонентов в технологии безобжиговых строительных изделий и один из наиболее древних строительных материалов во всем мире. Материалы на основе необожженной глины успешно применялись при сооружении различных ограждающих конструкций во всем мире: Великая китайская стена, Тезифонская Арка в Ираке, Пирамиды Саккара в Египте и др. Свойства данного полиминерального материала зависят ряда факторов: минералогического состава, гранулометрии частиц и их месторождения [1]. При применении глин в строительстве способность их к набуханию и размоканию отрицательно сказывается на

199

эксплуатационных свойствах, поэтому необходимо обеспечить их водоустойчивость и достаточную механическую прочность, которые обеспечиваются путем введения в состав вяжущих веществ.

Рассматривая процессы структурообразования композиционного материала на основе глины следует отметить, что в глиноцементных составах при протекающих процессах гидратации и гидролиза, вследствие физико-химического (обменного) поглощения катионов кальция, происходит извлечение Са(ОН)2 из цемента тонкодисперсной частью грунта, что приводит к формированию кристаллизационной структуры с пониженными физико-механическими показателями. [2] Увеличение прочности глиноцементного каркаса со временем зависит от количества образующихся тоберморритоподобных гидросиликатов и гидратов окиси кальция. Микроскопические исследования показывают [2], что твердеющий цементный камень представляет собой, весьма сложный конгломерат кристаллических и коллоидных (или микрокристаллических) гидратных новообразований; а также непрореагировавших еще с водой остатков цементных зерен, тонкораспределенной воды и воздуха. При смешивании глины с цементом и водой протекают процессы, которые при определенных условиях приводят к самопроизвольному синтезу в массе обрабатываемого комплексного вяжущего, образующего прочный каркас. В состав этого вяжущего входят гидратированные силикаты цемента, гидрат извести и алюмосиликатные и кремнекислые соединения, которые имеются в составе глины.

Обменные свойства глинистых минералов обуславливаются несколькими факторами:

— поверхностные силы (для каолинитов);

— явление изоморфизма (для монтмориллонита);

— при высокой дисперсности отмечают поверхностное поглощение катионов.

Глина насыщенная органическими катионами частично или полностью теряет способность к разбуханию, при этом прочность связи между обменными катионами глин и органическими катионами зависит от их размера. При размерах катионов близких к диаметрам впадин кремний-кислородной сетки глинистых минералов возникает прочная связь. Поглощенные катионы перестают быть обменными, не вытесняются другими катионами.

В глиноцементных композитах физико-механические характеристики зависят от катио-нобменной способности глин, и для получения глиноцементного вяжущего со стабильными свойствами необходимо создать условия для нормального протекания реакций гидролиза и гидратации цемента в процессе структурообразования композиции. Глины с высокой катионоб-менной способностью активно поглощают отдельные продукты гидролиза цемента, чаще всего катионы Са+, препятствуя образованию прочной, водоустойчивой и морозостойкой структуры композита [3].

Качество строительных материалов на основе дисперсных и дисперсно-зернистых материалов зависит от знания сущности процессов структурообразования и способности управлять этими процессами при производстве. Процессы формования зависят от соотношения внутренних сил дисперсной системы, направленное регулирование которых позволит при меньших затратах энергии получить необходимый результат.

Качество структуры должно обеспечиваться на всех этапах технологии производства, причем особое внимание должно уделяться процессам раннего структурообразования на стадии подготовки сырьевых материалов, приготовления формовочных масс и формования.

Технология стеновых материалов на основе глины и цемента является наиболее эффективной с использованием прессующих технологий. Полусухое прессование за счет высоких внешних усилий уже вносит в синтез прочности конечные свойства камня. При прессовании, ускоряется образование фазовых контактов не только в системе «цемент-вода», но и в системе «цемент-глина-вода». Все перечисленные физико-химические процессы влияют на прочность композиции, ее водостойкость, и обусловливается большим числом контактов, образованием фазовых контактов за счет твердения цемента и адсорбции извести, выделяющей при твердении цемента глинистыми минералами.

Управлять структурой и свойствами прессованных изделий возможно рациональным использованием внутренних сил дисперсной системы, которые зависят от влажностного состояния формовочной массы.

Исследования проводились на глиноцементных составах (глина Елшанского месторождения Саратовской области). Давление прессования изменялось от 10 до 30 МПа. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сырцовая прочность глиноцементных образцов в зависимости от давления прессования

Давление прессования, МПа Свойства образцов в зависимости от продолжительности сушкиэ в естественных условиях на воздухе

Через 1 час после формования Через 1 сутки Через 3 суток

Рж, МПа р0 , г/см3 Рж, МПа р0, г/см3 Рсж, МПа р0, г/см3

Г:Ц=95:5

10 1,2 1,83 2,3 1,88 4,7 1,85

20 1,9 2,01 2,8 2,06 6,2 2,05

30 2,6 2,09 3,2 2,1 8,5 2,6

Г:Ц=90:10

10 1,18 1,84 3,3 1,88 5,2 1,87

20 1,93 2,06 4,0 2,1 6,6 2,2

30 2,5 2,1 4,5 2,15 9,3 2,55

Г:Ц=85:15

10 1,25 1,88 2,5 1,62 5,6 1,72

20 2,0 2,1 3,8 1,9 7,2 1,9

30 2,65 2,15 4,5 2,06 9,8 2,1

Г:Ц=80:20

10 1,3 1,79 2,3 1,8 7,7 1,85

20 2,1 2,05 2,8 2,1 10,2 2,05

30 2,8 2,16 3,2 2,1 11,5 2,6

Анализируя данные табл. 1, мгновенная сырцовая прочность (сразу после формования) может обуславливаться коагуляционно-точечными контактами и не зависит от количества цемента. При этом рост прочности в глиноцементных образцах за счет капиллярных и фазово-контактных (химических) сил. Увеличение сырцовой прочности связано не просто с уплотнением, а с увеличением числа точечных контактов. Роль цемента и режим уплотнения в структурообразовании глиноцементных образцов сказывается со временем, после 3 суток.

Влияние давления прессования и содержания цемента в композите на эффективность прессования показаны в табл. 2-4 и гистограммах на рис. 1-3, исходя из расчетов определения прироста прочности (ЛЯ) и плотности (Ар) в зависимости от давления прессования на 10 МПа, наиболее часто применяемое при заводском формовании.

Таблица 2

Эффективность прессования образцов, АР/Ар через 1 час

Показатель эффективности Г:Ц 20 30

90:10 85:15 80:20 90:10 85:15 80:20

Р/Р10М11а,% 163,56 160,00 161,54 211,86 212,00 215,38

р/р10М11а,% 111,96 111,70 114,53 114,13 114,36 120,67

АР/РюМ11а,% 63,56 60,00 61,54 111,86 112,00 115,38

Ар/рюМ!!а,% 11,96 11,70 14,53 14,13 14,36 20,67

А Р/А р 3,41 5,13 4,24 7,92 7,80 5,58

Таблица 3 Эффективность прессования образцов, АР/Ар через 1 сутки

Показатель эффективности Г:Ц 20 30

90:10 85:15 80:20 90:10 85:15 80:20

Р/РюМ!!а,% 121,21 152,0 121,74 136,36 18,0,0 139,13

р/рюМ!!а,% 111,70 117,28 116,67 114,36 127,16 116,67

АР/Р10М!!а,% 21,21 52,0 21,74 36,36 80,0 39,13

Ар/р10М!!а,% 11,70 17,28 16,67 14,36 27,16 16,67

А Р/А р 1,81 3,01 1,3 2,53 2,94 2,34

Эффективность прессования образцов, ДR/Дp через 3 суток

Таблица 4

Показатель эффективности Г:Ц 20 30

90:10 85:15 80:20 90:10 85:15 80:20

R/R1oMNa,% 126,92 128,57 132,47 178,85 175,0 149,35

p/p1oMIIa,% 117,64 122,09 140,54 136,36 122,09 140,54

ДR/R1oMIIa,% 26,92 28,57 32,47 78,85 75,0 49,35

Дp/p1oMIIa,% 17,64 22,09 40,54 36,36 22,09 40,54

Д R/Д р 1,52 1,29 0,8 2,17 3,39 1,27

0

МПа

30 МПа м \\ \\ \\ \\

1 час 1 сутки 3 суток

Рис. 1. Зависимость эффективности прессования ДR/Дp глиноцементных образцов, состав Г:Ц = 90:10

Анализ полученных данных показал, что прирост прочности в глиноцементных композитах при естественной сушке образцов, прессованных в интервале 20-30 МПа, составляет от 60 до 115% в первые часы, от 20 до 80% на 1 сутки и от 25 до 75%.

I

I

¡5

I

9 8

7 6

5

4 3 2 1 0

20 МПа

30 МПа*

1 час

1 сутки

3 суток

Рис.2. Зависимость эффективности прессования ДR/Дp глиноцементных образцов, состав Г:Ц = 85:15

Рис. 3. Зависимость эффективности прессования АР/Ар глиноцементных образцов, состав Г:Ц = 80:20

Анализ полученных данных показал, что с увеличением доли содержания цемента эффективность прессования образцов в первые часы после формования растет. После высушивания в естественных условиях через 1 сутки и 3 суток после формования эффективность прессования снижается, и большие значения наблюдаются в составах с меньшим содержанием цемента (Г:Ц = 90:10). С увеличением давления прессования (более 20 МПа) увеличивается интенсивность испарения влаги, следовательно, некоторая часть цементных частиц не может полностью прогидратировать из-за недостатка воды.

В момент формования при высоких давлениях прессования происходит выдавливание воды из порового пространства в поверхностные слои и переход ее в слабосвязанное состояние. Гидратные оболочки на поверхности глиняных частиц уменьшаются, тем самым создаются условия для формирования повышенной структурной прочности и, как следствие, прочность прессованных образцов увеличивается.

Таким образом, установлено, что повышенное давление прессования (более 20 МПа) увеличивает число контактов уже на стадии формования с обеспечением высокой прочности в первые сутки. Изменение интенсивности набора прочности и потери влаги с увеличением давления прессования вероятно связывается с точечными тепловыми ударами в местах контакта частиц в процессе механического воздействия. Повышение температуры в системе снижает поверхностное натяжение воды и способствует ее переходу в другое энергетическое состояние, ускоряя процессы массопереноса, а освобождающаяся поверхностная энергия участвует в структурообразовании на начальном этапе. Перечисленные процессы начинают проявляться при давлении свыше 20 МПа, внося существенный вклад на структурообразование глиноцементных композитов уже в процессе формования.

При разработке составов и технологических параметров смешанных вяжущих решаются задачи, направленные на создание прочной и долговечной структуры искусственного камня. Так при разработке композитов на основе глины решается задача устранения ее специфического свойства обратимости за счет введения в сырьевую смесь добавок-стабилизаторов [4].

Одной из актуальных задач строительного материаловедения является задача структурообра-зования искусственного каменного материала путем сочетания компонентов в системе «цемент-глина-модификатор», целенаправленного использования их собственных индивидуальных физико-химических особенностей, придающих положительные свойства готовому материалу, а так же взаимной нейтрализации отрицательных свойств компонентов и целенаправленного использования результатов их взаимодействия.

В ходе проведения серий экспериментов по созданию эффективного безобжигового материала на основе глины были установлены оптимальные составы представленные в таблице 5. В качестве органического модификатора системы «глина-цемент»для направленного стуктурообразования предлагается введение ацетоноформальдегидной смолы (АЦФ) не более 3 % от массы цемента и гидрофо-бизатора ГКЖ-11 не боле 0,5% от массы цемента. Наибольший научно-практический интерес при

создании глиноцементного композиционного материала представляет органическая добавка АЦФ, по сути являющаяся полифункциональной добавкой, которая способна разрушать гидратные оболочки глинистых частиц и адсорбироаться на них - легкие фракции смолы насыщают монтмориллонит, а тяжелые формируют своеобразную полимерную мембрану, так же происходит существенное влияние на фазовый состав цементного камня, образуя комплексы с гидросиликатами переменного состава, ускоряя процесс их кристаллизации.

Образцы прессовали полусухим способом в виде цилиндров (диаметр и высота - 5 см) при давлении 20 МПа и хранили в нормальных воздушно-влажностных условиях под полиэтиленовой пленкой в течение 28 суток. Влажность смеси доводили до оптимального значения, соответствующего 10-12% при В/Т = 0,14. Изготовленные, таким образом, цилиндры испытывались на предел прочности при сжатии и изгибе, водопоглощение, водостойкость и морозостойкость по стандартным методикам. Результаты испытаний образцов, а так же сравнение полученных данных с данными по силикатному кирпичу марки М75 представлены в табл. 5.

Таблица 5

Сравнительные показатели физико-механических свойств глиноцементных образцов

Безобжиговые глиняные Силикатный

Показатель Обозначение с добавкой кирпич

АЦФ ГКЖ-11 М75

Прочность при сжатии. МПа, на 28 сутки, не менее R«K 12,7 12,5 12,5-15,0

Прочность при изгибе. МПа. на 28 сутки, не менее Rизг 3,2-3,7 2,3-2,9 3,5-3,7

Плотность, кг/м3 р 2000-2100 1950-2050 1800

Водостойкость Кразм 0,65-0.70 0,55-0.57 0,8

Теплопроводность Вт/м*°С 0,9-0,96 0.98-1,02 0,8-0,87

Водопоглощение. % Wnüm 9-12 14 8-16

Морозостойкость, циклов, не менее F 25 25 25

Анализ данных свидетельствует, что исследуемые образцы полусухого прессования на основе безобжигового глиноцементного композита, активированного органической добавкой АЦФ, соответствуют марке М-75 (в водонасыщенном состоянии) и М-125 (в сухом состоянии) и могут быть рекомендованы в качестве материала стенового ограждения при строительстве неотапливаемых зданий и сооружений, а также для малоэтажного строительства с обязательным применением в конструкции стен эффективной теплоизоляции.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Доржиев П.А. Безобжиговые цементно-глиняные стеновые материалы: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05 / Доржиев Петр Александрович. Улан-Уде. 2004. 130 с.

2. Кнатько В.М. Теория синтеза вяжущих - как научная основа химических методов укрепления дисперсных грунтов / В.М.Кнатько // Вестн. ЛГУ. 1983.№24. С. 5-11.

3. Безрук В.М. Основные принципы укрепления грунтов / В.М. Безрук М.: Транс-порт.1987.280с.

4. Глуховский В.Д. Вяжущие композиционные материалы контактного твердения / В.Д. Глу-ховский. Киев. 1991. С. 44-100.

Иващенко Юрий Григорьевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Мухамбеткалиев Кайрат Куаншкалиевич -

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Строительство и строительные материалы» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана

Yuri G. Ivashchenko -

Dr. Sc., Professor

Head: Department of Building Materials and Technologies,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Kairat K. Muhambetkaliev -

Ph. D., Senior Lecturer Department of Construction and Building Materials West Kazakhstan Agrarian Technical University Zhangir Khan

Тимохин Денис Константинович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Denis K. Timokhin -

Ph. D., Associate Professor Department of Building Materials and Technologies,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

11.11.14, принята к опубликованию 25.12.14

Статья поступила в редакцию