Способы повышения физико-механических свойств

Таянч сўзлар:гипс аралашмаси, қўшимчалар, физик ва механик хусусиятлар, қурилиш материаллари, сувга чидамлилиги сув шимувчанлик.

Производства новых современных видов материалов для стен в промышленности строительных материалов принято Постановление Президента Республики Узбекистан от 23.05.2019 г. № ПП-4335 «О дополнительных мерах по ускоренному развитию промышленности строительных материалов». принята и определена программа «мероприятий по развитию научных исследований в области и повышению их эффективности» [1].

В последние годы особое внимание уделяется такомунаправлению строительной отрасли, как малоэтажноестроительство. Одним из наиболее перспективных строительных материалов, который мог быудовлетворить всем вышеперечисленным требованиям,является гипс. Это объясняется тем, что изделия на егооснове отвечают всем современным требованиям по огнестойкости, звукопоглощению, экологической безопасности и энергосбережению на всех этапах жизненногоцикла, начиная от добычи сырья и заканчивая утилизацией, а также наличием хорошей сырьевой базы.
С точки зрения энергоемкости 1 м наружной стены жилого дома эти материалы практически равнозначны (30...40кг.у.т./м² для кирпичной и 32...37 кг.у.т./м²для керамзитобетонной стены). Жилые дома из легкого бетона, как монолитные, так и из крупных стеновых камней более индустриальны и требуют меньших трудозатрат по сравнению с кирпичными, однако последние имеют несомненные преимущества с точки зрения эстетических и санитарно-гигиенических требований, предъявленных к жилищу.
Обеспечить удачное сочетание положительных качеств стенового материала, а также избежать ряд недостатков традиционных технологий возведения можно, используя строительный или высокопрочный гипс в качестве вяжущего для легких бетонов. Значительным преимуществом таких бетонов является низкая себестоимость по сравнению с цементными, что обусловлено низкой энергоемкостью (30...40 кг.у.т./т. гипса по сравнению 200…260 кг.у.т./т.цемента) и относительной простотой производства гипсовых вяжущих. По энергоемкости 1² м² наружной стены из гипсокерамзитобетона и бетона на основе портландцемента (14...18 кг у.т./м² против 32....37 кг.у.т./м²) достаточно очевидны преимущества первого варианта[2].
Кроме того, плотность гипсового камня в среднем в 1,5 раза ниже плотности цементного, что позволит уменьшить требуемую толщину ограждающих конструкций и вес здания в целом. Белый цвет гипсобетона сам по себе эстетичен, а использование минеральных пигментов может существенно разнообразить цветовую гамму фасадов зданий.
Что касается процесса строительного, заводского или полигонного производства, то и здесь налицо существенные преимущества гипсового вяжущего, и прежде всего, на стадии формования изделий или выдерживания конструкций в опалубке. Высокая скорость набора прочности гипсобетоном позволяет обеспечить высокую оборачиваемость опалубки, что существенно снижает удельную материалоемкость производства (как правило, металлоемкость) и ускоряет сроки изготовления или возведения конструкций и изделий.
Широкая востребованность гипсовых смесей объясняется их исключительными свойствами: экологичность, быстрый набор прочности, хорошие тепло- и звукоизолирующие, звукопоглощающие свойства, отсутствие усадочных деформаций, огнестойкость, положительное влияние на здоровье людей путем создания в помещениях благоприятного микроклимата. Однако, несмотря на многовековой опыт использования и высокие потребительские свойства материалы и изделия на его основе имеют ограниченное применение в строительстве из-за низкой водостойкости, высокой пористости, низкой прочности, малой морозостойкости и др. [3, 4].
Необходимо отметить также высокую тепло- и звукоизолирующую способность, повышенную огнестойкость гипсовых материалов, широкий диапазон марочной прочности [5, 6].
Но гипсовые вяжущие, как типичные представители вяжущих воздушного твердения, имеют низкую водо- и морозостойкость. Снижение прочности затвердевшего сухого гипсового камня после водонасыщения достигает 55…60 % у строительного и 50…55 % у высокопрочного гипса. Материал считается водостойким, если его коэффициент размягчения равен 0,75 и выше [5, 6], а по другим данным равен 0,8 и выше [7, 8]. Материалы для наружных ограждающих конструкций должны иметь коэффициент размягчения не менее 0,6 [9, 10], однако для бетонов на основе гипса он составляет всего 0,4-0,5. Марка по морозостойкости гипсобетонов не превышает Б15-Р25. Таким образом, низкая стойкость к воздействиям окружающей среды и резкое снижение прочности при увлажнении не позволяет эффективно использовать гипсобетоны при возведении жилых зданий, производственных и сельскохозяйственных сооружений, и, прежде всего, в качестве материала для наружных стен.
Но недостатками строительного гипса является его низкая прочность и недостаточная водостойкость.
Ряд ученых, таких как Матвеев М.А., Ткаченко K.M., Иванникова Р.В., Будников П.П. [11, 12, 13], считают, что основной причиной низкой водостойкости является высокая растворимость гипса. В результате увлажнения связь между кристаллами нарушается без последующего восстановления.
Другие исследователи - Ребиндер П.А., Логинов Г.И., Элинсон М.П. [14, 15, 16] принимают за основную причину падения прочности расклинивающее действие водных пленок, проникающих в микротрещины при адсорбции их внутренней поверхностью влаги, что способствует разъединению отдельных кристаллов в кристаллической структуре. Доказательством этому, по мнениюВоженского A.B., ФерронскойA.B. [17], служит падение прочности затвердевшего гипса при погружении в насыщенные и пересыщенные растворы гипса, когда дополнительное растворение его структуры исключено.
Анализ литературных данных выявил три основных направления повышения водостойкости гипсовых изделий:

• 
  уменьшение растворимости затвердевшего (двуводного) гипса;
  
• 
  изменение капиллярно-пористой структуры гипсового камня с целью уменьшения водопроницаемости и водопоглощения;
  
• 
  поверхностная гидрофобизация, пропитка и поверхностная защита материалами, препятствующими водонасыщению гипсовых изделий.
  

Кроме того, возможно повысить водостойкость затвердевшего гипса, применяя уплотнение гипсовой массы, но этот способ вызывает повышенный расход вяжущего, усложняет технологию производства гипсовых изделий. Нанесение поверхностных покрытий (цинко- и песчаносиликатных) носит временный характер и не всегда эффективно экономически [18].
Представляется, что более перспективны первые два пути, так как в этих случаях повышаются водостойкость материала по всему объему независимо от случайных повреждений поверхности изделия или конструкции.
Для реализации этой задачи использовались различные добавки [19, 20, 21], но наиболее эффективными следует считать те, которые позволяют одновременно снизить растворимость гипсового камня или бетона, когда одновременно появляется возможность управления структурой и свойствами строительных материалов.
Анализируя зарубежный опыт повышения водостойкости гипсовых вяжущих, можно отметить, что в основном исследователи предлагают использовать при затворении или пропитке сложные органические добавки. Наибольший интерес к этой проблеме проявили ученые Германии, Польши, США, Японии, и Франции [22, 23], предложены добавки на основе полисилоксанов, кремнийалкилов [24, 25]. Способ пропитки гипса фенолформальдегидными и другими водорастворимыми смолами изучался
Матвеевым М.А. и Ткаченко K.M. [12]. Пропитка обеспечивает уплотнение материала и защиту кристаллов двуводного гипса от воздействия влаги. Однако этот способ повышения водостойкости гипса имеет существенные недостатки - усложняет технологический процесс изготовления изделий и увеличивает их стоимость.
В Японии, США и Германии разработаны способы армирования гипсовых изделий минеральными, органическими и стеклянными волокнами, в том числе волокнистыми кристаллами самого гипсового вяжущего [26, 27, 28]. Их использование приводит к повышению прочностных показателей, а также несколько увеличивает и водостойкость гипсовых изделий.
Польские исследователи предложили способ, по которому ß-полуводный гипс смешивается с высокообжиговыми гипсовыми вяжущими и известью в заданных пропорциях. Коэффициент размягчения такого вяжущего достигает 0,7 но использование при его приготовлении дополнительных добавок повышает стоимость изделий на его основе [29].
Еще в сороковых годах Волженский A.B. предложил использовать негашеную известь, за счет тепла гидратации которой производилась дегидратация молотого гипса [30]. Он же показал, что одновременное введение в гипс совместно с известью гидравлической добавки способно еще более повысить водостойкость изделия. Впервые трехкомпонентное гипсовое вяжущее было получено Гайсинским И.Е. (неопубликованный отчет АКХ 1941 г.). В качестве гидравлической добавки использовался основный доменный гранулированный шлак в количестве 30% — 40% от массы вяжущего. При твердении в воде на образцах образовывались трещины из-за неравномерного изменения объема. Это связано, вероятно, с образованием сульфоаллюминатов кальция, вызывающих внутренние напряжения [31].
Используя различные гидравлические добавки, исследователи сталкивались с рядом проблем, которые перечислены ниже. Так, гипсо-известково-трепельные составы 28-суточного воздушного твердения обеспечивали марку раствора 15 и 30, но прочность их снижалась по мере уменьшения содержания в них гипса. При дальнейшем твердении в воздушных условиях до 6 месяцев обнаруживалось негативное влияние на прочность составов извести и гидравлической добавки. Кроме того, наиболее водостойкий состав (80 % гипса + 5 % извести + 15 % трепела) оказался наименее устойчив при попеременном увлажнении - высушивании.
Гипсо-известково-зольные (далее ГИЗ) и цемяночные составы имели весьма низкую морозостойкость (2-6 циклов), а при испытаниях на устойчивость к попеременному увлажнению - высушиванию выдерживали максимум 25 циклов.
Гипсо-известково-шлаковые растворы лидируют по абсолютным прочностям, обладают способностью твердеть в воде при уменьшении количества гипса до 60 % с превалирующей прочностью над сухими (у ГИЗ составов при количестве гипса менее 80 % через 6 месяцев снижается прочность). Но все они имеют весьма разнообразный химический состав, что является существенным недостатком и обусловливает необходимость при приготовлении их производить исследование и подбор составов экспериментальным путем [30, 31, 32].
Согласно проведенным исследованиям В.Б. Петропавловская и А.Ф. Бурьяновом модифицированного композиционного материала отмечается, что с увеличением содержания нанодисперсной добавки мрамора происходит монотонное повышение механических характеристик композиционного материала.
Исследованиями прочности модифицированного гипсового камня установлено, что зависимость прочности гипсовых композиций от содержания молотого мрамора, как и от водотвердого отношения, носит параболический характер для всех исследованных составов.
В интервале содержания добавки от 18 до 20% прочность композиционного материала увеличивается, что объясняется, по-видимому, повышением количества кристаллизационных контактов и увеличением площади единичных контактов. Это приводит к структурированию гипсовой матрицы и достигается максимальное уплотнение гипсового камня.
Таким образом, анализ проведенных исследований показывает, что при подборе вида модификатора для структур конденсационного твердения необходимо выбирать добавки, имеющие с гипсом общий ион Са₂+. Оптимальное содержание наноразмерной добавки молотого мрамора исходя из физико-химических аспектов получения эффективного гипсового материала составляет 20%. Оптимальное водосодержание для исследованных модифицированных составов 0,06. Композиционный гипсовый материал оптимального состава имеет в среднем плотность 1900 кг/м³ и прочность при сжатии в возрасте 7 сут – 20 МПа. Регулирование свойств гипсовых композиций конденсационного твердения путем модификации их состава позволит обеспечить повышение физико-технических свойств гипсовых материалов и изделий на их основе.
Качество, надежность и долговечность - вот основные требования, которые предъявляются сегодня строительным материалам. Добавки, способствующие формированию коротких сросшихся кристаллов двуводного гипса, позволяют получить гипсовый камень с большей прочностью, чем гипсовый камень, образованный тонкими, игольчатыми кристаллами двуводного гипса.В настоящее время существует ряд способов повышения водостойкости гипсовых материалов и создание на их основе композиционных гипсовых смесей. Интересным при этом является возможность применения отходов промышленности строительных материалов, что делает получение новых гипсовых материалов с улучшенными характеристиками максимально ресурсосберегающим. Для повышения характеристик гипсовых материалов в качестве кремнеземистой добавки может использоваться: зола-унос, керамическая пыль, отходы производства кирпича и других керамических изделий, стеклянный бой, молотый кварцевый песок, микрокремнезем, кремнегель, отработанный силикагель и некоторые другие материалы.