Разработка штукатурных составов повышенной теплостойкости

ВЕСТНИК ~

2/2013

УДК 691.55

М.В. Акулова, А.Н. Коллеров, О.В. Потемкина

ФГБОУВПО «ИГАСУ»

РАЗРАБОТКА ШТУКАТУРНЫХ СОСТАВОВ ПОВЫШЕННОЙ

ТЕПЛОСТОЙКОСТИ

Штукатурные растворы повышенной теплостойкости являются уникальным средством защиты строительных конструкций от воздействия повышенных температур. Получение оптимального состава вяжущего и наполнителей, выявление взаимовлияния компонентов производилось с помощью методики факторного эксперимента для трех переменных. Получены штукатурные растворы, теплостойкость которых в разы выше, чем у исходных образцов.

Ключевые слова: жаростойкая штукатурка, теплостойкость, сахароза, жидкое стекло.

Защита строительных конструкций и материалов от неблагоприятных воздействий окружающей среды — одна из самых важных научных и практических проблем. Универсальным способом защиты является покрытие поверхностей облицовками и лакокрасочными материалами, существуют целые классы отделочных материалов, обладающих специальными защитными свойствами.

Огнезащитные покрытия затрудняют горение конструкций, а в ряде случаев исключают даже возможность его возникновения. Универсальным способом защиты является оштукатуривание поверхности конструкции. Универсальность этого способа заключается в том, что оштукатуриванию подвергаются как бетонные, кирпичные, металлические, так и деревянные поверхности. Различается лишь технология нанесения. В наше время в строительстве применяют различные виды защитных штукатурных составов (акустические штукатурки, водонепроницаемые, рентгенозащитные, теплые, жаростойкие) [1, 2].

Наиболее актуальной тема разработки штукатурного состава с повышенными теплостойкими качествами стала в настоящее время в связи с участившимися пожарами на территории РФ. К сожалению, рынок в основном заполнен жаростойкими растворами, основанными на импортном сырье, что значительно увеличивает его рыночную стоимость. Поэтому повышение теплостойкости штукатурного раствора введением в его состав отечественного дешевого сырья является актуальным.

Известны сырьевые смеси для получения штукатурки, содержащие портландцемент, кварцевый песок, жидкое стекло, волокнистый материал (шерстяные и синтетические отходы ткацкого производства, асбест), воду [3, 4].

В данной работе исследовалось влияние композиционного вяжущего и наполнителей на физико-механические и теплостойкие свойства штукатурного раствора.

В качестве композиционного вяжущего использовался мордовский портландцемент М 500 и натриевое жидкое стекло плотностью 1300...1500 кг/м3 с силикатным модулем 2,4.2,8. Наполнителем выступают кварцевый песок

крупностью 0,315.. .1,25 и волокна минеральной ваты длиной 4.. .6 мм плотностью 50 кг/м3.

Состав жаростойкой штукатурки на жидкостекольном вяжущем предполагает наличие добавки — замедлителя.

Для увеличения сроков схватывания раствора, необходимых для жаростойких штукатурок, в него вводят добавки-замедлители. Эти вещества вызывают химические процессы, следствием которых является торможение процессов гидратации и гидролиза клинкерных минералов, обусловливающее замедленную интенсивность схватывания затворенных водой клинкерных цементов.

Сложные сахариды (сахар) известны как прекрасные замедлители портландцемента. Лучшими замедлителями в этой категории являются сахароза и рафинада, имеющие пятиэлементные кольца. Такие соединения используются в цементных композициях не в полной мере, потому что степень замедления сроков схватывания цементного теста очень чувствительна к малым вариациям концентрации. Замедляющий эффект сложных сахаридов зависит от чувствительности соединений к продуктам щелочного гидролиза цементного теста. Сахар превращается в сахарную кислоту, содержащую альфа-гидроксикарбо-нильную группу, которая адсорбируется на С^-Н (гидросиликат кальция) гель поверхность.

Жидкостекольные вяжущие весьма эффективны для жаростойких бетонов и растворов. Это отмечено в работах К.Д. Некрасова, А.П. Тарасовой, Ю.П. Горлова, Б.Д. Тотурбиева и др. [5—9] и убедительно доказано практикой строительства. Следует подчеркнуть, что жидкое стекло обладает высокими адгезионными свойствами по отношению ко всем применяющимся в огнеупорной промышленности материалам, его клеящая способность в 3...5 раз выше, чем у цементов, что и обеспечивает получение на его основе высококачественных жаростойких растворов. Жидкое (растворимое) стекло не является дефицитным материалом и имеет относительно низкую стоимость, что делает его оптимальным вяжущим для жаростойких бетонов. Еще больший эффект с точки зрения термостойкости даст применение связки на основе жидкого стекла в сочетании с заполнителем сходного химического состава.

Для исследований в качестве контрольного применялся жаростойкий штукатурный раствор на основе жидкостекольного вяжущего заданной подвижностью (8.9) в соответствии со СП 82—101 и ГОСТ 5802—86.

Для обобщения полученных данных и выявления взаимовлияния компонентов, а также для получения оптимального состава вяжущего, пригодного для использования в жаростойком бетоне, использовалась методика факторного эксперимента для трех переменных. Эксперимент проведен согласно рекомендациям по применению методов математического планирования [10].

Как показали исследования, образцы с наиболее высокими физико-механическими и теплостойкими свойствами получились при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 23,69.26,45; кварцевый песок 49,39.52,46; жидкое стекло 0,69.4,16; волокна минеральной ваты 1,35.1,37; сахароза 0,064.0,067; вода — остальное. Наиболее рациональные составы штукатурних растворов и их характеристики приведены в табл. 1 и 2.

ВЕСТНИК

МГСУ-

2/2013

Табл. 1. Рациональные составы штукатурных растворов и их теплостойкость

Компоненты Массовая доля, %

Чистый 1 2 3

Портландцемент 28,28 23,69 25,97 26,3

Кварцевый песок 56,43 49,39 51,96 52,46

Жидкое стекло — 2,79 4,16 0,69

Волокна минеральной ваты — 1,35 1,36 1,37

Сахароза — 0,064 0,065 0,067

Вода 15,35 22,176 18,9 19,11

Количество выдержанных теплосмен при t = 500 °С 4 29 20 11

Табл. 2. Рациональные составы штукатурных растворов и пределы их прочности при сжатии

Компоненты Массовая доля, %

Чистый 1 2 3

Портландцемент 28,28 23,69 25,97 26,3

Кварцевый песок 56,43 49,39 51,96 52,46

Жидкое стекло — 2,79 4,16 0,69

Волокна минеральной ваты — 1,35 1,36 1,37

Сахароза — 0,064 0,065 0,067

Вода 15,35 22,176 18,9 19,11

Прочность при сжатии, МПА 16 22 27 20

Определение прочности штукатурного раствора на сжатие проводили согласно ГОСТ 5802—86. Как видно из проведенных испытаний, возрастает прочность образцов за счет применения комплексного вяжущего, замедлителя и добавления в состав раствора армирующей добавки.

Также одной из величин, определяющих эффективность применения и надежность жаростойких растворов, является их остаточная прочность после нагрева. Отличие жаростойких растворов от общестроительных состоит в том, что для жаростойких растворов основным критерием надежности является не высокая исходная прочность, а сохранение прочности на достаточно высоком уровне на всем температурном интервале эксплуатации строительных конструкций.

Испытания на термостойкость для жаростойких растворов, так же как и для бетонов проводились в соответствии с ГОСТ 20910—90.

Как видно из приведенных данных, образец состава № 1 (см. табл. 1) показал наилучшие теплостойкие качества. Дальнейшее увеличение объема жидкого стекла неэффективно из-за моментального схватывания штукатурного раствора, что затрудняет его применение в качестве отделочного материала. Как видно из табл. 1, жаростойкая штукатурка на основе жидкостекольного вяжущего с применением армирующей добавки увеличивает теплостойкие качества более чем в 6 раз по сравнению с обычной.

Разработана технология, позволяющая избежать комкования волокон минеральной ваты при приготовлении растворной смеси. По данной технологии подготавливают и дозируют сырьевые компоненты: кварцевый песок, волокна минеральной ваты, портландцемент — и перемешивают примерно с 50 % необходимой воды, а затем в смесь вводят замедлитель (сахарозу), растворенный в 25 % необходимой воды, после чего добавляют оставшееся количество воды с растворенным в нем жидким стеклом.

Полученный состав отвечает всем требованиям жаростойких штукатурок, его физико-механические и тепловые свойства не уступают жаростойким растворам, основанным на применении импортных добавок. Стоит отметить его экономическую эффективность и актуальность применения для защиты конструкции от огневого воздействия.

Материалы, изготавливаемые на основе жидкого стекла и минеральных наполнителей, — это перспективные конструкционные материалы, которые обладают рядом уникальных технологических свойств: коррозионной стойкостью, жароупорностью, абсолютной кислотостойкостью и высокими прочностными характеристиками [11].

Библиографический список

1. Василик И.Г., Голубев И.В. Применение волокон в сухих строительных смесях // Строительные материалы. 2002. № 9. С. 26—27.

2. КомарА.Г. Строительные материалы и изделия. М. : Высш. шк., 1987. С. 248—250.

3. БолдыревА.С. Строительные материалы. М. : Стройиздат, 1989. С. 243—244.

4. Акулова М.В., Коллеров А.Н. Получение жаростойкой штукатурки повышенной прочности // Информационная среда вуза : материалы XVIII Междунар. науч.-техн. конф. Иваново : ИГАСУ, 2011. С. 202—204.

5. Долгих С.Г., Карклит А.К., Кахмеров А.В. Огнеупоры на основе бокситов для вакууматоров // Огнеупоры. 1993. № 2. С. 31—33.

6. Тарасова А.П. Жаростойкие вяжущие на жидком стекле и бетоны на их основе. М. : Стройиздат, 1982. 133 с.

7. Жаростойкие бетоны на основе композиций из природных и техногенных стекол / Ю.П. Горлов, А.П. Меркин, М.И. Зийфман, Б.Д. Тотурбиев. М. : Стройиздат, 1986. 145 с.

8. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на основе силикат-натриевых композиций. М. : Стройиздат, 1988. 207 с.

9. Акулова М.В., Ветошкин А.А., Емелин В.Ю. Разработка состава пенобетона повышенной термостойкости // Информационная среда вуза : материалы XVIII Междунар. науч.-техн. конф. Иваново : ИГАСУ, 2011. С. 189—192.

10. Серегин Г.В., Анисимова Н.К. Оптимизация технологических процессов с применением методов математического планирования экспериментов. Ч. 1. Подбор состава бетона. Иваново : Иван. гос. архит.-строит. акад., 2005. С. 8—19.

11. Тихомиров И.Н., Скорина Т.В. Влияние силикатного модуля жидкого стекла на свойства вяжущих материалов // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 23—25.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Акулова Мария Владимировна — доктор технических наук, профессор, советник РААСН, заведующий кафедрой производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, (4932) 32-66-33, m_akulova@mail.ru;

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

Коллеров Анатолий Николаевич — аспирант кафедры производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, a.n.k@inbox.ru;

Потемкина Ольга Владимировна — докторант кафедры производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, (4932) 41-03-04, molodkina@mail.ru.

Для цитирования: Акулова М.В., Коллеров А.Н., Потемкина О.В. Разработка штукатурных составов повышенной теплостойкости // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 88—93.

M.V. Akulova, A.N. Kollerov, O.V. Potemkina

DEVELOPMENT OF PLASTER COMPOSITIONS THAT HAVE IMPROVED

HEAT RESISTANCE

Protection of structures and materials from the adverse effects of the environment is a relevant challenge to be tacked both by the teams of researchers and workers on site. A universal method of protection contemplates the use of cladding and paints. There are classes of finishing materials that have special protective properties.

Flame-resistant finishes obstruct the burning of structures, and in some cases they can even prevent inflammation. A universal method of protection is the plastering of the surface of a structure. Plastering is applicable to concrete, masonry, metal as well as timber. Development of heat resistant plaster is relevant due to numerous fires in Russia.

This article represents an overview of the research into the influence of composite binders and fillers onto the physical and mechanical properties of the heat resistant plaster.

Portland cement M 500 was used as a composite binder. Liquid sodium water glass with the density of 1,300 - 1,500 kg/m3 and the silicate modulus value of 2.4 - 2.8 was also applied. Glass sand with the fineness of 0.315 - 1.25, mineral wool fibers that were 4 - 6 mm long (with the density of 50 kg/m3) were applied as fillers.

Sugar is known as an excellent inhibitor of Portland cement. Liquid glass binders are very effective if added to heat resistant concretes and mortars. This fact was mentioned in the works of K.D. Nekrasov, A.P. Tarasov, G.P. Gorlov, B.D. Toturbiev and others, and it has been proven in practice. It is noteworthy that liquid glass demonstrates high adhesive strength in terms of all materials. Its adhesive strength is 3...5 times higher than that of the cement, and this fact can serve as the basis for the development of high-quality heat-resistant solutions.

The resulting composition is an excellent heat resistant plaster; its physical-mechanical and thermal properties are not inferior to heat resistant mortars based on imported additives.

Key words: heat resistant plaster, heat resistance, sucrose, liquid glass.

References

1. Vasilik I.G., Golubev I.V. Primenenie volokon v sukhikh stroitel'nykh smesyakh [Application of Fibers in Dry Composites]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2002, no. 9, pp. 26—27.

2. Komar A.G. Stroitel'nye materialy i izdeliya [Construction Materials and Products]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1987, pp. 248—250.

3. Boldyrev A.S. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1989, pp. 243—244.

4. Akulova M.V., Kollerov A.N. Poluchenie zharostoykoy shtukaturkipovyshennoyproch-nosti [Production of High Strength and Heat Resistant Plaster]. Informatsionnaya sreda vuza [Information Environment of an Institution of Higher Education]. Materialy XVIII Mezhdunar.

nauch.-tekhn. konf. [Works of the 18th International Scientific and Technical Conference]. Ivanovo, IGASU Publ., 2011, pp. 202—204.

5. Dolgikh S.G., Karklit A.K., Kakhmerov A.V. Ogneupory na osnove boksitov dlya vakuu-matorov [Bauxite-based Refractory Materials for Vacuum Degassers]. Ogneupory [Refractory Materials]. 1993, no. 2, pp. 31—33.

6. Tarasova A.P. Zharostoykie vyazhushchie na zhidkom stekle i betony na ikh osnove [Heat Resistant Binders That Contain Liquid Glass and Concretes Produced on Their Basis]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1982, 133 p.

7. Gorlov Yu.P., Merkin A.P., Ziyfman M.I., Toturbiev B.D. Zharostoykie betony na osnove kompozitsiy iz prirodnykh i tekhnogennykh stekol [Heat Resistant Concretes Based on Natural and Man-made Compositions of Glass]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 145 p.

8. Toturbiev B.D. Stroitel'nye materialy na osnove silikat-natrievykh kompozitsiy [Construction Materials Based on Sodium Silicate Compositions]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988, 207 p.

9. Akulova M.V., Vetoshkin A.A., Emelin V.Yu. Razrabotka sostava penobetona povysh-ennoy termostoykosti [Development of Foam Concrete That Has Improved Heat Resistance]. Informatsionnaya sreda vuza [Information Environment of an Institution of Higher Education]. MaterialyXVIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Works of the 18th International Scientific and Technical Conference]. Ivanovo, IGASU Publ., 2011, pp. 189—192.

10. Seregin G.V., Anisimova N.K. Optimizatsiya tekhnologicheskikh protsessov s prim-eneniem metodov matematicheskogo planirovaniya eksperimentov. Ch. 1. Podbor sostava betona. [Optimization of Process Solutions Using Methods of Mathematical Planning of Experiments. Part I. Selection of the Concrete Composition]. Ivanovo, IGASA Publ., 2005, pp. 8—19.

11. Tikhomirov I.N., Skorina T.V. Vliyanie silikatnogo modulya zhidkogo stekla na svoystva vyazhushchikh materialov [Effect of the Silicate Module of Liquid Glass Produced on Properties of Binders]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2009, no. 12, pp. 23—25.

About the authors: Akulova Mariya Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Adviser of RAACS, Chair, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (IGASU), 20 8th of March St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; m_akulova@mail.ru; +7 (4932) 32-66-33;

Kollerov Anatoliy Nikolaevich — postgraduate student, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (IGASU), 20 8th of March St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; a.n.k@inbox.ru;

Potemkina Ol'ga Vladimirovna — doctoral student, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (IGASU), 20 8th of March St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; molodkina@mail.ru; +7 (4932) 41-03-04.

For citation: Akulova M.V., Potemkina O.V., Kollerov A.N. Razrabotka shtukaturnykh sostavov povyshennoy teplostoykosti [Development of Plaster Compositions That Have Improved Heat Resistance]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 88—93.