|
Источник:
Всероссийский семинар "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий", Москва, НИИСФ, 22-23 апреля 2002, с. 115-121 |
Второв Б., Фишер Х.-Б., Штарк Й.
Bauhaus-Universität Weimar
ВЛИЯНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ АКТИВИЗАТОРОВ
ТВЕРДЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПРИРОДНОГО АНГИДРИТА
Вяжущие на основе природного ангидрита благодаря низкой себестоимости сырья и невысоким затратам на его переработку находят широкое применение в строительной индустрии ФРГ.
Сегодня в связи с появлением новых требований к строительной продукции и проведению строительных работ приобретает актуальность проблема направленного регулирования свойств ангидритовых вяжущих.
В отличие от полуводного гипса, который в процессе гидратации быстро и полно взаимодействует с водой до образования дигидрата, преобразование ангидрита в двуводный гипс зачастую не доходит до конца, а сама реакция протекает сравнительно медленно. Для ускорения реакции гидратации и твердения ангидритового вяжущего на практике применяются специальные добавки - активизаторы твердения.
Принцип действия активизаторов основывается на их способности влиять на процессы растворения ангидрита в воде затворения. Наиболее распространенные способы активизации твердения можно разделить по химическому составу вводимых добавок: сульфатная активизация (с помощью сульфатов щелочных металлов, сульфатов тяжелых металлов, кислых сульфатов), щелочная активизация (Ca(OH)2, NaOH), преимущественно щелочная активизация (портландцементный клинкер, доменный шлак и др.), смешанная активизация (щелочной компонент и добавка сульфата) [1].
Известно, что сульфатные активизаторы повышают прочность, а щелочные придают материалу постоянство объема [2]. Для получения на основе ангидрита материала с комплексом заданных свойств целесообразным является использование многокомпонентных активизаторов твердения. Главной задачей данной работы является изучение влияния многокомпонентных активизаторов (смешанный способ активизации) на свойства ангидритового вяжущего на примере природного ангидрита в начальный период твердения.
В ходе предварительных исследований было изучено влияние K2SO4 и Ca(OH)2 как базовых ускорителей твердения на свойства вяжущего и принята рецептура базового состава. Водо-ангидритовое отношение принято равным 0,38. Далее было изучено действие сульфатов (KAl(SO4)2× 12H2O, Na2SO4, (NH4)2SO4, CuSO4, FeSO4× 7H2O, MgSO4× 7H2O, ZnSO4× H2O, NaHSO4× H2O, KHSO4) на характеристики базового состава. Установлено, что влияния сульфатов на свойства вяжущего очень различны по характеру, что имеет связь с водородным показателем смеси [1, 3, 4].
В дальнейших исследованиях применялись методы математического планирования эксперимента. В качестве факторов эксперимента были приняты добавки сульфатов, придающие материалу наилучшие эксплуатационные и эстетические свойства: KAl(SO4)2× 12H2O, CuSO4, ZnSO4× H2O). Эти три соли способствуют также повышению кислотности смеси.
В табл. 1 приведены факторы и уровни их варьирования. В качестве исследуемых параметровов были выбраны степень гидратации и прочность на сжатие через 3 сут твердения, конец схватывания вяжущего, относительное удлинение в первые 70 ч гидратации и пористость материала. Эксперименты проводились в соответствии с центральным композиционным планом.
Таблица 1
Факторы и уровни их варьирования
|
Факторы |
Уровни варьирования |
Интервал варьирования |
|||
|
натуральный вид |
кодированный вид |
-1 |
0 |
+1 |
|
|
KAl(SO4)2 × 12H2O, % |
х 1 |
0,150 |
0,325 |
0,500 |
0,175 |
|
CuSO4, % |
х 2 |
0,250 |
0,525 |
0,800 |
0,275 |
|
ZnSO4 × H2O, % |
х 3 |
0,250 |
0,525 |
0,800 |
0,275 |
После вычисления значений коэффициентов регрессии, были составлены математические зависимости исследуемых параметров от факторов (x1, x2, x3) в виде полинома второй степени :
Y=b0+b1х1+b2х2+ b3х3+b11х12+b22х22-b33х32 +b12х1х2+b13х1х3+b23х2х3 .
Графические интерпретации полученных зависимостей наглядно демонстрируют влияние многокомпонентного активизатора на характер изменения и величину исследуемых параметров (рис. 1...4, 6).
При увеличении концентраций сульфатов в составе многокомпонентного активизатора сначала происходит некоторый рост сроков схватывания ангидритового теста (конец схватывания - 75...90 мин), а затем с приближением к максимальным концентрациям - резкое снижение сроков схватывания (конец схватывания - 60...65 мин). Минимальное значение конца схватывания (50...60 мин) отмечается однако при наибольшем содержании в смеси KAl(SO4)2 × 12H2O и наименьшем содержании CuSO4 (рис. 1).
Наиболее интенсивно гидратация ангидрита протекает в первые 3 сут (рис. 2). При этом степень гидратации достигает 0,66...0,84. Увеличение концентраций активизаторов в вяжущем всегда ведет к росту доли двуводного гипса в затвердевших образцах. Максимальное значение степени гидратации 0,83 отмечается при наибольших концентрациях добавок.
Все компоненты комплексного активизатора на отдельных участках способствуют росту прочности материала (рис. 3). Наибольшее влияние на прочность оказывает добавка KAl(SO4)2× 12H2O. Добавки CuSO4 и ZnSO4× H2O повышают прочность материала только при малых и средних концентрациях других компонентов.
Характерно, что прямая зависимость между степенью гидратации и прочностью на сжатие сохраняется только на участке малых и средних концентраций активизирующих добавок (рис. 2 в, 3 в).
Основной рост линейных деформаций ангидритового вяжущего происходит в первые сутки твердения. Использованный в работе метод позволяет измерять деформации начиная с момента приготовления смеси. Наибольшее влияние на величину относительного удлинения вяжущего оказывают добавки KAl(SO4)2× 12H2O и CuSO4 (рис. 4). Через 70 ч гидратации максимальное значение линейных деформаций 2,78 мм/м отмечено при наибольших концентрациях всех активизаторов в смеси.
Множество точек (рис. 5), построенное с использованием уравнений регрессии, проходит по графику широкой полосой, подтверждая наличие прямой зависимости между относительным удлинением и степенью гидратации.
Следует отметить, что минимальным значениям относительного удлинения соответствуют более поздние сроки схватывания вяжущего.
Увеличение содержания сульфатов в составе комплексного активизатора ведет к снижению пористости материала (определение методом ртутной порозиметрии). При этом в области максимальных концентраций этот эффект заметно снижается. (рис. 6).
Почти на всем исследуемом диапазоне концентраций добавок между пористостью и степенью гидратации вяжущего, а также и линейным удлинением материала существует обратная зависимость. Процесс роста кристаллов дигидрата кальция (рост степени гидратации) сопровождается как расширением материала на начальном этапе твердения, так и последующим самоуплотнением его структуры (заполнение пор и снижение пористости).
Таким образом, применяя многокомпонентные активизаторы твердения удается направленно регулировать свойства ангидритового вяжущего. Установлено, что увеличение концентраций изученных в данной работе активизаторов твердения всегда ведет к росту степени гидратации вяжущего. Прямая зависимость между степенью гидратации и прочностью на сжатие сохраняется только на участке малых и средних концентраций активизирующих добавок. Почти на всем исследуемом диапазоне концентраций добавок между пористостью и степенью гидратации вяжущего, а также линейным удлинением материала существует обратная зависимость, что объясняется особенностью роста кристаллов двуводного гипса на начальном этапе твердения.
Литература
