Влияние поликарбоксилатных суперпластификаторов на свойства материалов на основе строительного гипса
РЕФЕРАТ. В работе исследовано влияние ряда пластифицирующих добавок на поликарбоксилатной основе (суперпластификаторов), выпущенных различными производителями, на свойства гипсового теста и гипсового камня. Установлено, что добавки сильно различаются по пластифицирующему действию, влиянию на сроки схватывания гипсового теста и конечную прочность камня. Исследовано влияние подщелачивающих добавок (портландцемента и гашеной извести) на свойства гипсовых составов при введении суперпластификаторов. Применение некоторых пластифицирующих добавок позволило разработать напольные покрытия на гипсовой основе, не содержащие в своем составе добавок замедлителей схватывания.
Ключевые слова: суперпластификатор, гипс, напольное покрытие, сроки схватывания.
Keywords: superplasticizer, plaster, self leveling floor, setting time.
В строительной индустрии для получения высококачественных строительных материалов используют различные модифицирующие добавки. К таким добавкам относятся пластификаторы, которые не только увеличивают подвижность готовых к применению растворных смесей, но и повышают прочностные свойства искусственного камня за счет водоредуцирующего эффекта. В последнее десятилетие для этих целей все более активно применяются сополимеры поликарбоксилатных эфиров (polycarboxylate esters, PCE), которыми постепенно вытесняются из практики пластификаторы предыдущих поколений (лигносульфонаты, нафталинсульфонаты, меламинформальдегидные пластификаторы). В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к производству и внедрению поликарбоксилатных гиперпластификаторов.
Пластификаторы на основе поликарбоксилатов представляют собой цепочки гребнеобразной структуры, состоящие преимущественно из двух частей: отрицательно заряженной группы, которая позволяет полимеру адсорбироваться на поверхности зерен вяжущего вещества, и боковых цепей, не способных к адсорбции [1]. Таким образом, молекулы поликарбоксилатных пластификаторов адсорбируются на поверхности частиц через отрицательно заряженную группу, в то время как боковые цепи не адсорбируются, а остаются в водном растворе и препятствуют сближению твердых частиц. Этот эффект известен как диспергирование в результате стерической стабилизации [2].
На отечественном рынке представлен широкий ряд поликарбоксилатных гиперпластификаторов. В данной работе оценивался эффект влияния пластификаторов на свойства строительного гипса. Для проведения экспериментов были использованы пластификаторы от европейских производителей: Sika Viscocrete 225 P, Sika Viscocrete 510 P, Melflux 5581 F и Melflux 6681 F; пластификатор китайского производства PC 101, два отечественных пластификатора — Reomax PC 2901 P и Reomax PC 3901 P. В работе использовался строительный гипс на основе β-полуводного сульфата кальция «Пешеланского гипсового завода» марки Г-6 Б III.
По результатам петрографического анализа гипсовое вяжущее представлено соединением CaSO4 · 0,5H2O в виде таблитчатых кристаллов, иголок и пластинок. Крупные кристаллы длиной 70—100 мкм, реже — 300 мкм, и толщиной 30—35 мкм составляют не более 50 % объема пробы. Мелкие кристаллы имеют длину 15—25 мкм и толщину 5—7 мкм. В качестве примесного компонента в пробе содержится CaCO3 (приблизительно 3—4 масс. %) с размерами частиц 3—35 мкм.
Подвижность гипсового теста оценивалась по свободному растеканию из малого цилиндра (d = 25 мм, h = 50 мм) при водогипсовом отношении (В/Г) равном 0,45. Результаты исследования подвижности гипсового теста с добавками пластификаторов в концентрации 0,2—0,5 масс.% приведены на рис. 1.
Рис. 1. Влияние вида и концентрации пластификаторов на подвижность гипсового теста при В/Г = 0,425
Анализ представленных данных позволяет сделать вывод о том, что введение пластификаторов приводит к повышению подвижности гипсового теста на 70—300 %. Так, пластификатор PC 101 обладает самым низким пластифицирующим действием на гипсовое тесто среди всех представленных добавок. Пластифицирующая способность добавок Viscocrete 225 P и Viscocrete 510 P примерно одинакова, увеличение дозировки свыше 0,2 масс.% не влияет на подвижность гипсового теста. Эффективность действия поликарбоксилатных пластификаторов Reomax PC 2901 P и Reomax PC 3901 P сопоставима с пластифицирующей способностью добавок фирмы Sika. Самая высокая пластифицирующая способность зафиксирована для добавок марки Melflux 5581 F и Melflux 6681 F, расплыв теста при этом продолжает увеличиваться с ростом концентрации пластификатора.
Для гипсового теста с добавками суперпластификаторов был проведен контроль сроков схватывания на автоматическом приборе Вика и оценено тепловыделение с использованием адиабатического калориметра. Для бездобавочного гипсового теста начало схватывания наступает через 17,5 мин, конец схватывания — через 21 мин, что соответствует индексу «Б» по ГОСТ 125—79.
Отмечено, что применение поликарбоксилатных пластификаторов приводит к замедлению сроков схватывания гипсового теста (рис. 2).
Рис. 2. Влияние PCE на сроки схватывания строительного гипса при дозировке 0,2 масс. % и постоянном В/Г
По влиянию на сроки схватывания пластификаторы можно разделить на четыре группы:
1) не оказывающие влияние на сроки схватывания — PC 101;
2) замедляющие схватывание на 10—15 мин — Melflux 5581 F, Viscocrete 510 P;
3) замедляющие схватывание на 30— 40 мин — Melflux 6681 F, Viscocrete 225 P и Reomax PC 3901 P;
4) замедляющие схватывание более чем на 70 мин — Reomax PC2901 P.
Таким образом, применение ряда исследованных поликарбоксилатных гиперпластификаторов позволяет регулировать сроки схватывания гипсовых смесей без дополнительного применения его добавок-замедлителей.
Результаты определения тепловыделения в ходе гидратации гипсового теста при введении различных пластификаторов представлены на рис. 3. Полученные данные полностью коррелируют с результатами оценки влияния добавок на сроки схватывания гипсового теста. Использование добавки PC 101 не влияет на характер тепловыделения гипсового теста. Наименьшее влияние на тепловыделение оказывают гиперпластификаторы Melflux 5581 F и Viscocrete 510 P, которые замедляют достижение максимальной температуры тепловыделения на 15—20 мин. Остальные гиперпластификаторы не только существенно замедляют тепловыделение, но и снижают максимальную температуру в ходе твердения. Наибольшее замедление тепловыделения и сроков схватывания отмечено при использовании добавки Reomax PC 2901 P.
Рис. 3. Влияние поликарбоксилатных пластификаторов при дозировке 0,2 масс. % и постоянном В/Г = 0,425 на тепловыделение гипсового теста
Полученные данные позволяют определить области применения исследованных марок поликарбоксилатных пластификаторов. Так, для гипсовых составов машинного нанесения оптимальна добавка Rheomax PC 2901 P, для составов ручного нанесения — Melflux 6681 F, Viscocrete 225 P, Reomax PC 3901 P. Применение указанных гиперпластификаторов в гипсовых составах не требует дополнительного введения замедлителей схватывания.
Влияние гиперпластификаторов на прочность гипсовых материалов оценивалось по ГОСТ 31376—2008 «Смеси сухие строительные на гипсовом вяжущем. Методы испытаний». Образцы твердели в течение 7 сут на воздухе, затем высушивались при температуре 45 ± 3 °C до постоянной массы. Результаты испытаний приведены на рис. 4.
Рис. 4. Влияние пластификаторов на прочность гипсового камня
Введение любого из исследуемых пластификаторов при В/Г = 0,45 приводит к снижению прочности гипсового камня по сравнению с контрольным бездобавочным составом. Так, при концентрации пластификаторов 0,2 масс.% прочность образцов гипсового камня снижается на 12—30 масс. % по сравнению с контрольным образцом. Увеличение дозировок пластификаторов Viscocrete 510 P и PC 101 до 0,5 масс. % приводит к незначительному повышению прочности по сравнению с образцами, содержащими 0,2 масс. % этих добавок. Увеличение концентрации пластификаторов Viscocrete 225 P, Reomax PC 2901 P и PC 3901 P, Melflux 6681 F также приводит к снижению прочности в сравнении с бездобавочным образцом, причем наибольшее снижение прочности (приблизительно в 3 раза) отмечено для состава с добавкой 0,5 масс. % Melflux 6681 F. Для составов, содержащих 0,2 масс. % всех перечисленных выше суперпластификаторов, был оценен водоредуцирующий эффект по снижению водопотребности гипсового теста при обеспечении постоянной, на уровне контрольного состава, подвижности при расплыве из малого цилиндра (50 мм).
При введении пластификаторов Reomax PC 3901 P и PC 101 водопотребность снижается на 15 %, добавление остальных пластификаторов снижает водопотребность на 22—26 %. По росту снижения водопотребности добавки образуют следующий ряд: Reomax PC 3901 P → PC 101 → Viscocrete 510 → Reomax PC 2901 P → Viscocrete 225 → Melflux 6681 F → Melflux 5581 F.
Снижение водопотребности приводит к повышению прочности гипсового камня на 60—80 %. Так как многие гиперпластификаторы эффективно работают только при значениях pH > 7, то в качестве подщелачивающих агентов в исследуемых гипсовых составах были использованы известь гидратная (2 масс. %) и портландцемент марки ПЦ 500- Д0 (2 масс. %). Исследования показали, что подвижность гипсового теста при введении пластификаторов в концентрации 0,2 масс. % и добавлении извести (2 масс. %, рис. 5) увеличивается незначительно по сравнению с образцами, не содержащими добавки извести.
Рис. 5. Подвижность гипсового теста с добавление извести гидратной (2 масс. %) и различных пластификаторов (0,2 масс. %)
Данные о прочности гипсовых образцов при сжатии приведены на рис. 6.
Рис. 6. Прочность гипсового камня с добавлением извести гидратной (2 масс. %) и различных поликарбоксилатных пластификаторов в дозировке 0,2 масс. %
Дополнительное введение 2 масс. % извести мало влияет на прочностные характеристики гипсового камня с добавкой суперпластификаторов. Аналогично проводилось исследование влияния суперпластификаторов на свойства гипсового теста с использованием в качестве подщелачивающей добавки портландцемента в количестве 2 масс. % от общей массы составов.
Результаты испытания подвижности гипсового теста с добавками суперпластификаторов в сочетании с 2 масс. % портландцемента приведены на рис. 7. Сравнение результатов определения пластифицирующей способности исследуемых материалов показало, что в большинстве случаев подвижность гипсового теста увеличивается в присутствии добавки портландцемента по сравнению с составами, содержащими в качестве подщелачивающей добавки 2 масс. % извести. Введение 2 масс. % добавки портландцемента не только регулирует рН гипсового теста, но и придает ему повышенную подвижность. Введение извести влияет на подвижность в меньшей степени.
Рис. 7. Пластифицирующая способность исследуемых поликарбоксилатных пластификаторов в присутствии 2 масс. % добавки портландцемента
Испытание образцов на прочность показало, что добавка 2 масс. % портландцемента в составе гипсового вяжущего в сочетании с исследуемыми суперпластификаторами в концентрации 0,2—0,5 масс. % повышает прочность гипсовых растворов при сжатии (рис. 8) по сравнению с образцами на основе гипса с добавкой 2 масс. % Ca(OH)2. Таким образом, добавка портландцемента в сочетании с суперпластификаторами поликарбоксилатного состава проявляет их свойства в том числе как добавок, обеспечивающих повышение прочности гипсового вяжущего.
Рис. 8. Влияние поликарбоксилатных пластификаторов на прочность гипсовых растворов с 2 масс. % добавкой ПЦ
Заключение
С использованием суперпластификаторов Reomax PC 2901 P и Melflux 6681 F, которые в сочетании с добавками-подщелачивателями обеспечивают наиболее высокий уровень подвижности, замедления схватывания гипсового теста и повышения прочности гипсового камня, разработаны составы гипсовых самовыравнивающихся напольных покрытий без дополнительного использования замедлителей схватывания. Результаты определения технических характеристик составов приведены в таблице.
Итоги испытаний показали, что разработанные составы напольных покрытий на основе строительного гипса полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к напольным покрытиям на основе гипсовых вяжущих по ключевым показателям: подвижности, времени сохранения подвижности, прочности при сжатии, прочности сцепления с основанием. При этом наиболее высокие физико-механические характеристики обеспечивает применение в качестве пластификатора добавки Melflux 6681 F. По прочности через 7 сут твердения разработанные гипсовые составы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к несущим напольным покрытиям (более 20 МПа).
Выводы
1. Исследовано влияние поликарбоксилатных суперпластификаторов от различных производителей на свойства строительного гипса. Установлено, что введение суперпластификаторов увеличивает подвижность гипсового теста на 40—300 %.
2. По влиянию на сроки схватывания и гидратацию гипса по тепловыделению, пластификаторы можно разделить на 3 группы: 1) добавки, которые могут быть рекомендованы для быстротвердеющих составов на основе строительного гипса — PC 101, Melflux 5581 F и Viscocrete 510 P; 2) добавки, которые могут применяться в составах для ручного нанесения — Melflux 6681 F, Viscocrete 225 P и Reomax PC3901 P; 3) добавка, которая может применяться в составах для машинного нанесения при выравнивании полов на основе строительного гипса (замедляющая схватывание более чем на 70 мин) — Reomax PC 2901 P.
3. Водоредуцирующий эффект при использовании суперпластификаторов составляет 15—26 %. При снижении В/Г прочность увеличивается на 50—80 %.
4. Оценено влияние подщелачивающих добавок (известь гидратная, портландцемент) на эффективность действия поликарбоксилатных суперпластификаторов. Результаты испытаний показали, что введение добавки портландцемента в состав строительного гипса приводит к повышению подвижности гипсового теста; добавка извести гидратной влияет на подвижность в меньшей мере. Кроме того, использование портландцемента в качестве подщелачивающей добавки также обеспечивает повышение прочности гипсового камня.
5. Составы напольных покрытий на основе строительного гипса без добавки замедлителя схватывания с добавлением суперпластификаторов Melflux 6681 F и Reomax PC 2901 P полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к напольным покрытиям на основе гипсовых вяжущих по таким показателям, как подвижность и время использования гипсовой смеси, готовой к применению, а также прочность напольных покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Василик П.Г., Чалова А.И. Влияние супер- и гиперпластификаторов на водогипсовое отношение и прочность затвердевшего гипсового камня // Матер. междунар. научно-практич. конф. «Гипс, его исследование и применение». Красково, 2005. С. 122—126.
2. Plank J., Pollmann K., Zouaoui N., Andres P.R., Schaefer L. Synthesis and performance of methacrylic ester based polycarboxylate superplasticizers possessing hydroxy terminated poly(ethylene glycol) side chains // Cement and Concrete Res. 2008. Vol. 38. P. 1210—1216.
Автор: И.Н. Медведева, А.С. Панфилов, Д.М. Алешунин, М.Е. Воронков |
Рубрика: Наука и производство |
Ключевые слова: суперпластификатор, гипс, напольное покрытие, сроки схватывания |