авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Научные и технологические принципы получения сухих гипсовых смесей пониженной вяжуще- и полимероемкости

-- [ Страница 2 ] --

Большая часть исследований в области сухих гипсовых строительных смесей, как показывает анализ публикаций их результатов, посвящена изучению количественных показателей влияния традиционно используемых в технологии химических добавок на свойства растворов. В российских исследованиях отмечается, что альтернативы применению различных функциональных добавок, в т.ч. редисперсионных полимеров для получения высококачественных сухих смесей нет, но отечественная промышленность их не выпускает. Проблема замещения импортных добавок отечественными в России была поднята еще в 2001 г. на международной конференции «Современные технологии сухих смесей в строительстве», однако так и не решена. Согласно оценки проблемы российскими специалистами С.А. Дергуновым, А.С. Нестеренко в 2009 г. строительство предприятия по выпуску добавок последнего поколения с замкнутым химико-технологическим циклом в ближайшие годы нерентабельно, т.к. требует вложения инвестиций порядка 100-150 миллионов долларов. Научных работ по снижению содержания дорогостоящих импортных функциональных добавок практически нет. Уменьшение расхода полимерных компонентов и замедлителей твердения в гипсовых смесях рассматривается только в аспекте компенсации снижения прочности растворов при использовании высоких дозировок этих функциональных добавок. Так, в работах А.В. Гонтаря и А.И. Чалова рекомендуется с целью получения покрытий на основе сухих гипсовых смесей с требуемыми прочностными свойствами при обеспечении высоких показателей адгезии использовать гипсовое вяжущее с маркой по прочности не ниже Г-7, а также гипсоцементнопуццолановое вяжущее. Однако в Казахстане высокопрочного гипсового вяжущего не производят, кроме того, его технология обусловливает значительно более высокую стоимость по сравнению со строительным гипсом, что скажется на себестоимости сухих смесей. Гипсоцементнопуццолановое вяжущее отличается нестабильностью свойств, особенно показателей долговечности. В силу этих недостатков оно не вызывает интереса и не нашло применения за рубежом. Известны также работы Ю.В. Гонтарь, А.И. Чалова, В.М. Кузнецовой, С.П. Пожаренко в области эффективности использования в технологии сухих смесей многофазных гипсовых вяжущих. В основном в них изучается влияние различных фаз гипса композиционных вяжущих на процессы структурообразования и отмечается целесообразность использования их в штукатурных составах гипсовых сухих смесей. Отмечается эффективность использования для наливных полов высокопрочного автоклавного гипсового вяжущего и заслуживающим особого внимания применение для этих целей ангидритового вяжущего. Действительно, для получения штукатурных смесей за рубежом используют многофазные гипсовые вяжущие, для устройства самонивелирующейся стяжки для пола – ангидритовое вяжущее. Однако эти разновидности гипсовых вяжущих в Казахстане и в ближнем зарубежье не выпускаются, нет и нормативной базы для их получения и применения. Необходимость в такой продукции следует признать, но перспективы организации производства весьма отдаленны, стоимость таких вяжущих в силу технологических особенностей их получения значительно выше строительного гипса.

Следует отметить отсутствие принципиально новых подходов по оптимизации состава композиции сухих гипсовых смесей. Если с целью оптимизации состава и свойств цементных композиций проводятся в том числе исследования по применению реакционноспособных наполнителей, по влиянию гранулометрии заполнителя на свойства смесей (Т. Решке, Г. Тильен, А.И. Кудяков, Л.А. Аниканова, Н.О. Копаница и др.), то в области изучения сухих гипсовых смесей такие исследования не известны. В работе Г.И. Бердова, Е.В. Париковой и Г.И. Безбородова по исследованию использования карбонатного наполнителя с целью повышения прочности при сжатии на 2,5-15%, прочности при изгибе на 25-50% рекомендуется введение 20% известняковой муки. При этом отмечается, что увеличение содержания карбонатного наполнителя снижает прочность, повышает жесткость раствора. Известны единичные исследования российских ученых по изучению возможности применения некоторых видов функциональных добавок, не использующихся в технологии смесей зарубежных производителей, и, соответственно, не рекомендуемых для отечественного производства. В частности, вышеназванными учеными осуществлялась также попытка использования в качестве замедлителя схватывания лимонной кислоты, которая вводилась в составы смесей непосредственно в виде товарного продукта, что обусловило необходимость использования больших дозировок (0,075-0,15%) и, как следствие, снижение прочности покрытий. Исследования по введению в качестве водоудерживающих добавок метилцеллюлозы российского производства не выявили ее эффективности.

Не известны работы по научному подходу, принципам оптимизации сухих гипсовых смесей. Предлагаемые А.А. Шентяпиным методы оптимизации цементных композиций, основанные на принципе максимально плотной упаковки зерен в смеси, рассчитанной с использованием модели, не представляются корректными, т.к. не учитывают значение физико-химических явлений в процессе твердения раствора.

Учеными, руководителями сертификационных лабораторий, производителями сухих смесей заявляется необходимость разработки единой нормативной базы с полным комплексом параметров, регламентирующих как получение, так и применение сухих смесей, в т.ч. с учетом климатических условий.

Таким образом, анализ известных исследований в области получения и применения гипсовых сухих смесей показал, что не изученными являются: влияние и взаимовлияние минеральных компонентов сухой гипсовой смеси на процессы адгезии, на формирование структуры раствора, а также механизмы этих процессов; возможность усиления функциональной эффективности отечественных добавок, аналогичных по назначению традиционным импортным. Актуальным является получение композиций на основе отечественной сырьевой базы с возможностью исключения или замены дорогостоящих добавок импортного производства.

2 Сырьевые материалы и методика проведения исследований

При проведении исследований в качестве сырьевых материалов были использованы гипсовые вяжущие Жамбылского гипсового завода и фирмы «Кнауф» (п. Заречное Алматинской обл.), кварцевый и мраморный песок, отход производства мраморной щебенки. В качестве замедлителей схватывания вяжущего были использованы лимонная кислота, триполифосфат натрия (ТПН) и тринатрийфосфат (ТНФ) Жамбылского суперфосфатного завода.

С целью обеспечения водоудерживающих свойств гипсового раствора были исследованы простые и сложные эфиры целлюлозы. Простые эфиры целлюлозы представлены карбоксилметилцеллюлозой (Na-KMЦ) и метилцеллюлозой (МЦ-100); сложные эфиры - гидроксиэтилцеллюлозой марки МН 15009 Р2 и Н 20Р 2 производства германо-швейцарской фирмы «Клариант».

При проведении исследований применяли стабильно поставляемые на рынок Казахстана редисперсионные полимерные связующие «Виннапас» фирмы «Ваккер Полимерсистем», представляющие собой термопластичные полимеры на основе винилацетата, этилена, винилхлорида, винилларуата, акрилата, модифицированные силанами; целлюлозное волокно «арбоцель», порообразующие ПАВ (сульфонат и «Xostapur»), гиперпластификатор «Глениум», суперпластификатор С-3, антивспениватель.

Все минеральные и органические сырьевые материалы соответствовали требованиям соответствующих стандартов.

В работе использовались стандартные физико-химические, физико-механические методы исследований составов, процессов структурообразования, структуры и свойств строительных материалов.

Поверхностное натяжение водных растворов ПАВ определяли сталоглометрическим методом, электрокинетический потенциал - методом исследования электрофоретической подвижности суспензий гипсовой смеси на приборе Рабиновича и Фодимана, работу адгезии – опытно-расчетным с использованием метода измерения краевых углов при смачивании твердой поверхности исследуемым раствором.

Расчет энергии взаимодействия между минеральными частицами в зависимости от расстояния между ними в случае одинаковых по диаметру частиц рассчитывали по формуле:

(1)

В случае частиц, различающихся по размеру (а1 и а2), использовали формулу (2):

(2)

- диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; а – радиус частицы; - потенциал Штерна; Н – расстояние между частицами; - параметр Дебая: , где n – концентрация электролита в растворе; о – электрическая постоянная; z – заряд противоиона электролита; е – заряд электрона. В расчетах принималось, что потенциалы частиц равны их электрокинетическим потенциалам.

При изучении структурных характеристик образцов определялась величина пористости, средний диаметр пор, внутренняя удельная поверхность и распределение пор по размерам. Для исследования применялся метод сорбции азота и электронной сканирующей микроскопии. Изучение новообразований осуществлялось с помощью сканирующей микроскопии, рентгеноструктурного и термографического анализов.

Для оптимизации исследуемых параметров использовался метод математического планирования экспериментов. Обработку экспериментальных данных при построении кривых зависимости одного параметра от другого осуществляли методом математической статистики, в частности, методом наименьших квадратов.

3 Физико-химические основы регулирования адгезионно-когезионных свойств гипсовых покрытий

В диссертационной работе, основной целью которой является снижение вяжуще- и полимероемкости сухих гипсовых смесей, принята концепция возможности увеличения адгезионно-когезионной прочности раствора, не модифицированного РДП, путем управления качественными, количественными параметрами процессов гидрато- и структурообразования гипсового раствора. С целью определения характера влияния и взаимовлияния компонентов сухой гипсовой смеси на ее адгезионно-когезионные характеристики были изучены значение вида, расхода, фракционного состава наполнителей и функциональных добавок. Для этого были исследованы электрокинетические процессы в гипсовой растворной смеси; характер физико-химических явлений адгезии раствора к бетонному основанию посредством определения энергии взаимодействия частиц; объемные изменения в твердеющем растворе и определены характеристики влияния вида наполнителя на когезионную прочность раствора и его адгезию к основанию.

Формирование межфазового контакта между гипсовой матрицей и наполнителем, между бетонной или керамической основой и гипсовым раствором, происходит на наноуровне, где определяющее значение имеют электрокинетические процессы, влияющие на величину адсорбции и, соответственно, на адгезию. Адсорбционные процессы в зоне контакта гипсового раствора и основы будут тем интенсивнее, чем меньше толщина водной прослойки двух контактирующих фаз между собой. Толщина водной прослойки на наноуровне напрямую определяется величиной двойного электрического слоя и она тем меньше, чем меньше величина -потенциала. Получить корректные данные о толщине водной прослойки технически не представляется возможным. Поэтому о ней судили по величине -потенциала.

В диссертационной работе исследовались изменения -потенциала в системах «гипс-наполнитель-вода», «гипс-добавки-вода», «гипс-наполнитель-добавки-вода». Согласно данным экспериментов значение электрокинетического -потенциала гипса в воде -49 мВ. По правилу Пескова-Фаянса агрегат, состоящий из m – чиса молекул гипса адсорбируют ионы сульфата, способные достраивать кристаллическую решетку гипса. Ионы сульфата сообщают агрегату отрицательный поверхностный заряд, т.е. являются потенциалопределяющими. Поверхностный заряд может частично или полностью компенсироваться зарядом противоионов (Са2+), расположенных в объеме среды. Частицы гипса совместно с диффузным слоем противоионов составляют мицеллу. Противоионы, находящиеся непосредственно у поверхности агрегата (на расстояниях, близких к диаметрам ионов), помимо электростатических сил испытывают силы адсорбционного притяжения поверхности. Суммарный электрический заряд мицеллы, в силу электронейтральности воды будет зависеть от соотношения адсорбированных ионов сульфата или противоионов. Исходя из этой концепции, изучение электрокинетических явлений, характеризующих физико-химические процессы в системе «гипс-наполнитель-вода» позволило установить закономерности в явлениях, влияющих на прочность контакта между гипсовой матрицей и наполнителем в растворе и, опосредованно, на прочность контакта раствор-основание.

Исследования -потенциала в системе «гипс-наполнитель-вода» показали, что наименьшее значение -потенциала установлено в диапазоне соотношений «гипс:карбонатный наполнитель» 50:50-30:70, соответственно – 19-21 мВ, при этом его значение для гипса -49 мВ, карбонатного наполнителя - 36м В. Для этих соотношений характерно значительное сжатие двойного электрического слоя, характеризующегося снижением электрокинетического потенциала. Такое снижение -потенциала обусловлено явлениями, характерными для родственных частиц, имеющих разные по величине, но одинаковые по знаку поверхностные заряды. В этом случае происходит наибольшее вытеснение воды в сольватированном слое за счет внедрения зерен известнякового заполнителя в структуру гипса (рисунок 1).

По правилу Пескова-Фаянса это объясняется гетерокоагуляцией за счет внедрения противоионов Са2+ в адсорбционный слой ионов SO42- и противоионов Са2+. При этом противоионы Са2+ известняка сорбируются в поверхностных слоях гипсового зерна, снижая заряд в системе «гипс-наполнитель-вода». При увеличении количества наполнителя до 50% увеличивается площадь гетерокоагуляционных процессов и наблюдается снижение -потенциала. При увеличении содержания наполнителя выше 50% наблюдается незначительное повышение, а выше 70% резкое повышение значений -потенциала. Представляется, это можно объяснить невозможностью нейтрализации отрицательно заряженных ионов поверхностного слоя частиц противоионами, объясняющейся превалированием фактора значительного уменьшения объемной концентрации гипсовой матрицы в сравнении с содержанием наполнителя.

При введении в качестве наполнителя кварцевого песка значение -потенциала – остается на одном уровне (при соотношениях 50:50 - 30:70 соответственно -41мВ...-43 мВ), т.е. можно ожидать увеличение толщины сольватной оболочки в контактном слое между гипсовым раствором и зерна ми заполнителя в виде кварцевого песка и, соответственно, снижение силы адгезионных контактов.

1; 2а – мицелла гипса в воде с адсорбированными потенциалопределяющими ионами SO4-- и противоионами Сa++; 1б – частица известняка с адсорбированными потенциалопределяющими ионами CO3--и противоионами Сa++; 1с, 1д – образование контактного ионного слоя между частицами гипса и известняка с внедрением противоионов Сa++ в адсорбированный слой ионов SO4-- гипса, сопровождающиеся вытеснением воды из сольватированного слоя; 2б – частица кварцевого наполнителя, 2с – частицы гипса и кварцевого наполнителя

Рисунок 1 – Взаимодействие части гипса и наполнителя в воде

Определение -потенциала в системах «гипс-добавки-вода» показало, что все функциональные добавки снижают его показатели. При введении добавок в диапазоне дозировок, используемых в технологии сухих смесей, значение -потенциала, характерное для системы «гипс-вода» уменьшается соответственно при введении: редисперсионных полимерных порошков до -9 мВ, МГЭЦ -31 мВ, лимонной кислоты -45 мВ, арбоцели -37 мВ. Физическая сущность этого явления обусловлена стабилизирующим действием разной эффективности в зависимости от вида добавок, которые при адсорбции на поверхности зерен гипса способствуют в силу особенности строения молекул и химической ее природы экранизации отрицательного заряда в поверхностных слоях мицеллы гипса. Однако при введении всей группы функциональных добавок значение -потенциала составляет - 21 мВ. При использовании кварцевого наполнителя в соотношении с гипсовым вяжущим 50:50 в присутствии функциональных добавок оно снижается до -16 мВ, а для сухой растворной смеси того же состава без полимерной дисперсии с карбонатным наполнителем до – 11 мВ. Полученные данные свидетельствуют, что введение карбонатного наполнителя при исключении из гипсовой композиции полимерной дисперсии обеспечивает близкие значения -потенциала, и как следствие усиление адгезионных связей.

Кинетика изменения когезии раствора аналогична кинетике изменения -потенциала под влиянием изученных факторов. Это объясняется, с одной стороны образованием более плотных контактов гипсовая матрица-заполнитель (в случае применения карбонатного наполнителя). С другой стороны, уменьшается размер новообразований и их срастание в результате возникновения стерических препятствий. Стерические эффекты возникают в результате гетерокоагуляционных процессов между зернами гипса и зернами заполнителя в объеме раствора, а также в результате поверхностного взаимодействия полимерных добавок, лимонной кислоты с образованием фазовых пленок на зернах гипса.

Для оценки физико-химических процессов, обуславливающих образование адгезионных контактов между раствором и с основанием на основе определений значений -потенциала была рассчитана энергия взаимодействия между частицами гипса, известнякового наполнителя и бетона (рисунок 2).

Установлено, при добавлении к порошку бетона порошка гипса энергетический барьер характеризуется 22 кТ, но этот барьер превышает энергию броуновского движения, поэтому адгезионные силы между этими частицами практически отсутствуют. При введении наполнителя величина энергетического барьера между частицами гипсовой смеси и бетона возрастает на близких расстояниях, но динамика его снижения в зависимости от расстояния между частицами носит иной характер. Полное снижение энергетического барьера начинается только на расстоянии между частицами свыше 80 нм. Определение энергии взаимодействия частиц гипса, карбоната кальция при соотношении «гипсовая смесь:порошок бетона» 50:50% показало, что энергетический барьер между ними практически полностью исчезает на расстоянии свыше 40 нм. При этом притяжение частиц, как показывает вторичный минимум значений энергетического барьера, будет происходить и на дальнем расстоянии 80 и более нм. Это связано с тем, что модифицированные карбонатом кальция гипсовые частицы взаимодействуют с частицами бетона на дальних расстояниях через гидратированные слои.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.