Исследования влияние основных технологических параметров на свойства редисперсионных полимерных добавок

применения ячеистого бетона в строительстве": Сб. науч. трудов. Вып. 4. - Днепропетровск : ПГАСА, 2009. - С. 22-26.

5.Шмитько Е. И. Управление процессами твердения бетона в свете решения проблем энергосбережения / Е. И. Шмитько // Строительные материалы. - 1992. - № 11. - С.7-11.

б.Эйнре А. Х. Возможности уменьшения расхода тепловой энергии при производстве газобетона / А. Х. Эйнре // Строительные материалы. -1996. - № 2. - С.22-23.

УДК 691.55:620.193

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СВОЙСТВА РЕДИСПЕРСИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК

В. Н. Деревянко, д. т. н., проф., А. А. Дрозд, инж., Н. В. Кондратьева, к. т. н., доц.,

А. П. Дрозд, к. т. н., доц.

Ключевые слова: редисперсионный полимерный порошок, поливинилацетатная дисперсия, гашение, сроки схватывания, гипсовые вяжущие.

Постановка проблемы. Вопросы повышения качества, однородности свойств и обеспечения конкурентоспособности отечественных сухих строительных смесей являются приоритетными в настоящее время. Модификация вяжущих систем добавками жидких латексов, эмульсий и водорастворимых полимеров используется в целях улучшения их технологических и физико-механических характеристик.

Быстрое схватывание гипсовых вяжущих является в большинстве случаев их положительным свойством. Однако при изготовлении штукатурных растворов, бетонов с применением полуводного гипса, быстрое твердение не желательно. Для регулирования сроков схватывания в гипс при затворении водой вводят различные добавки.

Анализ последних публикаций показывает, что в Украине недостаточно развито производство сухих добавок, вследствие чего приходится использовать импортные, которые довольно дорогостоящие, а это не позволяет сделать отечественную продукцию конкурентоспособной [1].

Цель работы. Разработка редисперсионных полимерных порошков позволит расширить ассортимент отечественных добавок для производства сухих строительных смесей и, как результат, повысить их эксплуатационные свойства и конкурентоспособность. Основой для разработки таких добавок возможно использование поливинилацетатной дисперсии (ПВАД), которая широко применяется для улучшения свойств растворов и бетонов.

Широко известны работы по модификации цементных систем ПВА [2; 3], однако исследования влияния поливинилацетатной дисперсии на свойства гипсовых вяжущих в научно-технической литературе отсутствуют.

Основной материал. В соответствии с целью работы для создания добавки, замедлителя твердения гипса, использовали в качестве одного из компонентов поливинилацетатную дисперсию.

Известно, что поливинилацетатная дисперсия представляет собой белое сметанообразное вещество, в котором в качестве дисперсионной среды используется вода, а дисперсная фаза представлена поливинилацетатом в виде сферических частиц диаметром 1-3 мкм.

В зависимости от условий получения, средняя молекулярная масса ПВА составляет

10-1 600 а.е.м., а благодаря, высокой адгезии ко многим материалам (стеклу, металлу, древесине и др.), поливинилацетат в виде дисперсии вводят в состав лаков и клеев. Его применяют для изготовления покрытий для дерева, ткани, бумаги (моющиеся обои), черепицы, керамики.

Поливинилацетатная дисперсия входит в состав полимерцементных и полимербетонных покрытий, применяется для получения бесшовных полов, служит основой для водоэмульсионных красок, которые в 2-3 раза дешевле масляных.

Полимерные добавки к бетонам и растворным смесям, для повышения их качества, действуют как поверхностно-активные гидрофобизирующие вещества.

Они могут образовывать материалы с пространственной структурой, переходить в вязко-текучее состояние, кольматируя поры бетона, в результате чего повышается сцепление

заполнителей с цементным камнем, повышаются такие физико-механические свойства как плотность, прочность, газо- и воздухонепроницаемость, морозостойкость.

Термопластический полимер ПВА, образуя в бетоне эластичные слои, кольматируя поры цементного камня, значительно улучшает деформативные свойства бетона, повышет его прочность при изгибе и растяжении.

Для исследования влияния ПВАД на основные свойства полуводного гипса были проведены предварительные исследования реологических и физико-механических свойств гипсового вяжущего.

В ходе исследований определяли влияние количественного содержания ПВАД 50 % концентрации на водогипсовое отношение, сроки схватывания, прочностные свойства в соответствии с ДБН В.2.7 - 64 - 97, ДСТУ Б В.2.7 - 69 - 98, по методике, указанной в ДСТУ Б В.2.7 - 82 - 99. Результаты исследований представлены в таблице 1.

По полученным данным (табл. 1) видно, что при введении добавки в количестве от 0 до

0,8 % от массы гипса, водогипсовое отношение меняется незначительно, при дальнейшем увеличении содержания добавки наблюдается значительное повышение водопотребности от 62,85 до 65,1 %, т. е. в сравнении с чистым гипсом увеличение водогипсового отношения составило 3,5 %, что вероятно связано с изменением вязкости смеси.

Таблица 1

Результаты исследования ПВАД на свойства строительного гипса

Свойства Содержание добавки, %

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0

Нормальная густота, % 62,85 62,71 62,82 62,74 62,68 63,07 64,7 65,1

Начало схватывания, мин 9,3 11 12 14,30 14 14,30 15 16

Конец схватывания, мин 23,3 26 29,30 32,30 31 27,30 25,30 24,30

Прочность при изгибе, МПа 2,5 3,0 3,2 3,245 3,25 3,7 3,8 3,3

Прочность при сжатии, МПа 5,75 5,875 6,095 6,695 6,535 6,2 5,995 6,03

Максимальное увеличение сроков схватывания наблюдается при содержании добавки

0,6-0,8% по сравнению с чистым гипсом.

Это объясняется тем, что в связи с малой гидрофильностью функциональной группы ПВАД (-ОСОСН3-) добавка, адсорбируясь на зернах вяжущего в виде тончайших мономолекулярных слоев, образует на их поверхности пленку, препятствующую проникновению воды. Кроме того, возможно образование молекулярных соединений между вяжущим и полимером, что сопровождается снижением растворимости и коагуляцей водных растворов полимера. Но жизнеспособность смеси является недостаточной для использования ее на производстве. При этом расходе добавки наблюдается и рост прочности на сжатие до

0,9 МПа, прочность при изгибе 0,6 - 0,7 МПа.

Калориметрические исследования процесса гидратации показали (рис. 1), что температурный пик (тепловыделение при гидратации) полуводного гипса наступает через 33 минуты после смешивания с водой, т. е. через 7 - 10 минут после конца схватывания, и составил 41 С. При исследовании процесса гидратации с добавкой ПВАД в количестве 0,8 % от массы гипса повышение температуры наблюдалось через 23 минуты, а температурный пик был достигнут через 45 минут после смешивания с водой и достиг 38 С.

Полученные данные подтверждают замедление процесса гидратации гипсового вяжущего при введении добавки ПВАД.

Проблемой использования поливинилацетатов в качестве полимерной добавки при производстве сухих строительных смесей является отсутствие их в сухом состоянии. Поэтому следующим этапом работы была попытка перевести ПВАД из жидкого состояния в порошкообразное.

Для этой цели в состав редисперсионных полимерных порошков (РПП) предложено вводить негашеную известь (СаО). Известно, что процесс гашения извести идет по схеме: СаО + Н2О = Са (ОН)2 с образованием гидроксида кальция, который называется портландитом.

При гашении выделяется тепла до 1160 кДж на 1 кг оксида кальция. В присутствии поливинилацетатной дисперсии (определенной плотности и концентрации) известь будет гидратироваться водой ПВАД, в результате чего полимер, подвергаясь щелочному гидролизу, переходит в сухое состояние, образуя поливиниловый спирт.

Для получения высококачественного тонкодисперсного РПП необходимо установить требуемые свойства к негашеной извести. Реакционная способность воздушной извести оценивается по разным показателям, основным из которых является активность - содержание в ней свободных оксидов кальция (СаО) и магния (МgО). Чем выше их содержание, тем выше качество извести.

45 т------------------

40 _ # ^^Нстроительный гипс 35__и _____^^"строительный гипс + ПВАД _

120 ----

н 20 к ----------------

15 -I------------------

3 13 23 33 43 53 63 73 83 93 103 113 123 133 143 153 163 173 183

Время, мин

Рис. 1. Изменение температуры при гидратации чистого полуводного гипса и гипса

с добавкой ПВАД

По степени обжига различают извести мягкообожженные, среднеобожженные, сильнообожженные.

При мягком обжиге получают быстрогасящуюся известь, при среднем - быстро-и среднегасящуюся, при жестком - средне-и медленногасящуюся. При жестком обжиге сырья получаемая известь содержит пережог. При гашении быстрогасящейся извести с высоком содержанием оксида кальция образуется тонкий легкий порошок Са(ОН)2 в виде гексагональных пластинок со слоистой кристаллической решеткой. Известь высокого температурного обжига, относительно медленно реагирующая с водой, дает более крупные кристаллы Са (ОН)2.

Повышение температуры материала в процессе гашения обуславливает получение гидроксида кальция в виде укрупненных агрегатов. Чем выше температура гашения извести в гидратную известь - пушенку, тем крупнее и прочнее образуются агрегаты Са (ОН)2, почти не способные в смеси с водой распадаться на дисперсные частички.

На скорость гидратации извести влияет также температура извести и воды: чем выше их температура, тем больше скорость гидратации извести, однако слишком большая скорость гашения нежелательна из-за образования «заглушенной» извести [4].

Количество воды затворения оказывает влияние как на процесс гидратации, так и на качество гашенной извести. Избыточное количество воды может вызвать «заглушивание» извести, которое заключается в том, что поверхностный слой СаО слишком быстро гидратирует и образовавшийся плотный слой Са(ОН)2 не пропускает воду внутрь кусочков.

В результате гашение извести замедляется и протекает не полностью.

1 IV

^^Нстроительный гипс ^^^строительный гипс + ПВАД

/ >

} г / N

/ у г 1 "ч 1=4

/

Для изготовления гидратной извести - пушенки особо высокого качества рекомендуется использовать мягко обожженную известь, измельченную до крупности 1,2 - 2 мм, и гашение осуществлять при температуре 80 - 90 С определенным количеством воды. Средний диаметр частиц гидратной извести высшего качества не превышает 5 мкм, при преобладающем размере частиц 1-2 мкм. При этом удельная поверхность частиц Са(ОН)2 находится в пределах 1,2 -1,4 м2/г.

Учитывая вышеизложенное, для получения РПП применяем негашеную мягкообожженную кальциевую известь с активностью 92 %, высокоэкзотермичную, быстрогасящуюся.

С целью определения необходимого количества воды для гашения извести в присутствии поливинилацетатной дисперсии с получением порошка и оптимального содержания ПВАД,

50 % концентрации и плотностью 1,25 г/см3 в составе добавки, проведены исследования. Оптимизация и эффективность добавок определялись по основным свойствам для известковых вяжущих: скорости и температуре гашения, агрегатному состоянию, внешнему виду РПП. Исследуемые составы добавок и их свойства приведены в таблице 2.

Таблица 2

Исследуемые составы добавок и их свойства

№ Известь, % Вода, % сверх 100 % ПВАД,% сверх 100% Внешний вид Скорость гашения, мин Температура гашения, °С

1 100 80 - Высокодисперсный сухой порошок 1,58 98,0

2 100 90 29 Влажный порошок 2,5 90,0

3 100 80 29 Сухой порошок с размером частиц 2-3 мкм 2,0 94,5

4 100 70 29 Плотные агрегаты из отдельных частиц 1,55 97,5

5 100 80 35 Влажные слипшиеся агрегаты 2,35 90,0

6 100 70 35 Влажный порошок 2,3 92,0

7 100 60 35 Тонкодисперсный сухой порошок 2,10 94,0

8 100 60 41 Слипшиеся влажные агрегаты 2,25 90,0

9 100 50 41 Влажный порошок 2,2 90,5

10 100 40 41 Сухой порошок с размером частиц 1-3 мкм 2,15 93,0

При введении раствора ПВАД с различным количеством воды в негашеную известь происходит гашение извести с интенсивным выделением тепла, но при этом наблюдается незначительное снижение температуры гашения и замедление скорости гашения при увеличении расхода добавки поливинилацетатной дисперсии. Качество получаемых добавок по внешнему виду различно: влажные слипшиеся частицы после гашения свидетельствовали об избытке воды затворения и недостатке тепла для испарения воды, получение плотных агрегатов из отдельных частиц продуктов гашения - о недостатке воды затворения и значительной скорости гашения. По полученным данным определены оптимальные расходы воды с различным содержанием ПВАД для получения добавки в виде сухого дисперсного порошка.

Выводы. Результаты исследований подтверждают возможность использования негашеной извести и поливинилацетатной дисперсии для получения редисперсионного полимерного

порошка - замедлителя схватывания гипса. Перевод ПВАД в сухое состояние (поливиниловый спирт) осуществляется за счёт тепла, выделяющегося в процессе гашения извести. Кроме того, установлено влияние расхода ПВАД на основные свойства гипсового вяжущего, определены основные технологические параметры получения добавки и их влияние на свойства редисперсионного полимерного порошка.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Рунова Р. Ф. Технолопя модифшованих буд1вельних розчишв: Пщручник /Р. Ф. Рунова, Ю. Л. Носовський. - КНУБ1А, 2007. - 256 с.

2.Рамачандран В. С. Добавки в бетон / Рамачандран В. С. - М. : Стройиздат, 1988. - 571с.

3.Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика /Батраков В. Г. - М. : Технопроект, 1998. - 768 с.

4.Монастырёв А. В. Гашение строительной извести /Монастырёв А. В. М. : Высшая школа, 1988. - 111 с.