CC BY
11
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 692.231.2: 691.311
КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kudyakow@mail. tomsknet. ru
АНИКАНОВА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, alasmit@mail. ru
РЕДЛИХ ВАЛЕНТИНА ВЛАДИМИРОВНА, аспирант, redlih_v@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ФТОРАНГИДРИТОВЫХ ВЯЖУЩИХ
Предложены и исследованы приемы поризации смесей для изготовления изделий ограждающих конструкций на основе кислого и нейтрализованного фторангидрита. Разработаны составы и технологические регламенты получения теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных стеновых материалов на основе композиционных фторангидритовых вяжущих для малоэтажного строительства.
Ключевые слова: материалы для ограждающих конструкций; композиционные вяжущие; фторангидрит кислый и нейтрализованный; гипс строительный; карбамидоформальдегидная смола; вязкость; коэффициент вспучивания; теплопроводность; прочность при сжатии.
KUDYAKOV, ALEKSANDER IVANOVICH, Dr. of tech. sc., prof., kudyakow@mail. tomsknet. ru
ANIKANOVA, LUBOV ALEKSANDROVNA, Cand. of tech. sc., alasmit@mail. ru
REDLIKH, VALENTINA VLADIMIROVNA, P.G., redlih_v@mail ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
COMPOSITE BINDING ACID FLUORIDE MATERIALS FOR FENCING STRUCTURES
The techniques of making the porous mixture for manufacture of the fencing structures on the basis of acid and neutralized fluoride are suggested and investigated. Proportions and technol-
© А.И. Кудяков, Л.А. Аниканова, В.В. Редлих, 2012
ogical regulations of obtaining the heat-insulating and structural heat-insulating wall material based on the composite acid fluoride binding materials for low-rise buildings are worked out.
Keywords: materials for fencing structures; composite binding materials; acid fluoride; acid and neutralize; gypsum; carbonate fluoranhydrit resin; viscosity; coefficient of swelling; thermal conductivity; compressive strength.
В соответствии с концепцией развития России до 2020 г. большое внимание уделяется жилищному строительству, в том числе индивидуальному, с обеспечением высокой энергетической эффективности и экологической безопасности зданий, а также комфортности и низкой стоимости жилья. Первичная и эксплуатационная стоимость жилья существенно зависит от вида материалов для ограждающих конструкций и их теплозащитных характеристик. Правильный выбор исходного сырья и разработка инновационных технологических процессов изготовления стеновых изделий и конструкций с требуемой теплозащитой вносят заметный вклад в выполнение проблемы снижения энергоемкости валового продукта в России.
В настоящее время актуальными являются эффективные строительные материалы на основе гипсовых и гипсосодержащих вяжущих, включающих в себя отходы промышленности (фторангидрит, фосфогипс, борогипс и др.), полученные по безобжиговым технологиям [1, 2], что объясняется низкими энергозатратами на производство, пористостью и экологичностью изделий из них. Так, в мировой практике жилищного строительства приведенная масса материалов на один метр квадратный общей площади зданий из кирпичных стен составляет 2,5, панельных железобетонных - 2, а гипсовых - не более одной тонны [3].
В статье представлены результаты исследований композиционных вяжущих из фторангидрита (ФТА), отхода производства плавиковой кислоты, и стеновых материалов на их основе. Основные трудности, возникающие при использовании фторангидрита при изготовлении различных строительных изделий, вызваны наличием в нем серной кислоты, находящейся в порах и на поверхности зерен, и необходимостью ее нейтрализации щелочными компонентами (известью, известковой мукой, карбидным илом, портландцементом, нефелиновым шламом и др.). Для повышения активности фторангидрита и возможности его использования для изготовления строительных изделий рекомендуется применять целый ряд комплексных добавок и сложных приемов, что повышает трудоемкость технологических процессов и стоимость конечной продукции [2].
На кафедре СМиТ ТГАСУ разработана технология и получен патент на изготовление строительных изделий на основе фторангидритовых композиционных вяжущих. В основу технологии положена идея нейтрализации остаточной серной кислоты ФТА в процессе осуществления технологических операций перемешивания, гомогенизации и поризации смеси, формообразования, что позволяет управлять структурообразованием и получать стеновые материалы с пониженной теплопроводностью и требуемой прочностью.
В основе регулируемых процессов структурообразования лежат химические реакции нейтрализации остаточной серной кислоты фторангидрита с получением компонентов, улучшающих качество композиционного мате-
риала [4]. Технический результат достижения требуемой прочности материала обеспечивается за счет гидратации гипсового вяжущего и фторангидрита, а теплоизоляционных свойств - поризации изделия газом, выделяющимся при взаимодействии «кислого» фторангидрита и газообразующей добавки. В качестве газообразователей использовались измельченные горные породы или отходы промышленности, включающие карбонаты кальция (известняк, мел или карбидный ил) и алюминиевая пудра. Газообразование происходит согласно следующим химическим реакциям [5, 6]:
СаСОз + ^04 = Са804 + СО2 + Н2О;
2А1 + 3Н2804 = АЬ^Ь + ЗН2.
Вспучивание фторангидритовой смеси происходит за счет выделяющегося углекислого газа или водорода. Полученные таким образом поризован-ные композиты имеют среднюю плотность 900-1100 кг/м3 при прочности на сжатие 2-2,5 МПа. Для согласования процессов газовыделения и структуро-образования, т. е. обеспечения соответствия между скоростью газообразования и схватывания фторангидритовой смеси, равномерного распределения пор по объему, а также повышения прочности стенового материала в смесь дополнительно вводились гипс строительный, микрокремнезем и крахмал.
Оптимальные составы смесей, поризованных газом, рекомендованные для изготовления стеновых изделий, и свойства полученных конструкционнотеплоизоляционных и теплоизоляционных материалов приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Составы смесей из композиционных фторангидритогипсовых вяжущих
для стеновых изделий
№ п/п Состав смесей, в % по массе
Гипс строитель- ный ФТА Микро- кремнезем Крахмал Известняковая мука Вода
1 27,9 17,7 1,9 2,3 17,7 32,5
2 21,4 21,4 3,8 3,8 21,3 28,3
Таблица 2
Свойства поризованных фторангидритогипсовых материалов
№ Свойства материала
п/п Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Т еплопроводность, Вт/м
1 1340 4,4 0,60
2 480 1,1 0,14
Строительное изделие из разработанных фторангидритогипсовых смесей изготавливают следующим образом:
- дозирование фторангидрита, карбонатной муки и крахмала;
- перемешивание компонентов с водой в смесителе принудительного действия в течение 1-2 мин;
- сухая минерализация смеси строительным гипсом;
- укладка готовой смеси бетоноукладчиком в разъемные формы и уплотнение в соответствии с установленным регламентом;
- твердение изделий в тепловых камерах при температуре 40-60 °С в течение 24 часов.
Из полученного материала рекомендуется изготовлять стеновые блоки, плиты и панели, теплые полы и теплоизоляцию чердачных перекрытий.
Разработана технология получения поризованных изделий из фторан-гидрита, предварительно нейтрализованного в заводских условиях, т. е. без серной кислоты. В этом случае нами рекомендовано поризацию осуществлять путем введения в смесь перекиси водорода, которая разлагается по уравнению с выделением кислорода:
2Н2О2 = 2Н2О + О2.
При этом способе процесс поризации смесей и, соответственно, параметры качества смесей (коэффициент вспучивания) и готового материала (средняя плотность и прочность) регулируются удельной поверхностью фто-рангидрита, количеством введенной газообразующей добавки, водотвердым отношением, временем и способом перемешивания смеси. С целью регулирования схватывания в состав смеси на основе нейтрализованного фторангидри-та вводился сульфат калия. Установлено, что для обеспечения максимального вспучивания и однородности смеси необходимо предварительно перемешать исходные компоненты в течение 2,0-2,5 мин, а затем с раствором перекиси водорода еще 30-45 с.
Зависимость расплыва поризованной смеси от В/Т отношения и удельной поверхности фторангидрита приведена на рис. 1.
£■
“ О 2 2
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.45
Водотвердое отношение
Рис. 1. Зависимость расплыва поризованной смеси от удельной поверхности фторангид-рита и водотвердого отношения
Удовлетворительное состояние смеси получено при использовании фторангидрита с удельной поверхностью 250 м2/кг, при этом не наблюдается сегрегация и седиментация компонентов, а газ хорошо удерживается смесью.
Кинетика вспучивания смеси, позволяющая оценить согласованность процессов газовыделения и структурообразования, изучалась при различных В/Т отношениях (рис. 2). Степень поризации оценивалась по коэффициенту вспучивания (Кв).
Рис. 2. Кривые вспучивания поризованной смеси
Установлено, что максимальный коэффициент вспучивания смеси (Кв = 0,75) при наибольшей скорости (за 1 час) достигается при В/Т = 0,3. При В/Т = 0,5 вспучивание смеси заканчивается через 2 часа и коэффициент вспучивания достигает значения 0,62.
С увеличением содержания перекиси водорода с 6 до 14 кг на 1 м3 смеси средняя плотность образцов уменьшается с 1200 до 720 кг/м3, а прочность на сжатие уменьшается с 2,5 до 0,3 МПа.
С целью регулирования схватывания в состав смеси на основе нейтрализованного фторангидрита вводился сульфат калия. На основе проведенных исследований установлены оптимальные составы смесей для получения пори-зованных композитов. Удовлетворительное состояние смеси получено при использовании фторангидрита с удельной поверхностью 250 м2/кг, при этом не наблюдается сегрегация и седиментация компонентов, а газ хорошо удерживается в смеси. Степень поризации оценивалась по коэффициенту вспучивания (Кв).
Кинетика вспучивания, показывающая протекание процессов газовыде-ления и структурообразования, изучалась при различных В/Т отношениях (рис. 2). Отмечено, что с уменьшением В/Т отношения интенсивнее вспучивается смесь. При В/Т = 0,3 вспучивание смеси заканчивается через 1 час, при В/Т = 0,5 через 2 часа.
Максимальный коэффициент вспучивания (Кв = 0,75) достигнут при В/Т = 0,3.
Представляет интерес разработанная технология, в которой остаточная серная кислота немодифицированного фторангидрита используется как катализатор твердения органоминеральных композиционных вяжущих. В качестве органоминерального композиционного вяжущего при изготовлении стенового материала применяются карбамидоформальдегидная смола, строительный гипс
и торф при следующем соотношении компонентов (в массовых частях): строительный гипс 35-51 %; измельченный торф 10-24 %; карбамидоформальдегид-ная смола КФМТ-15 12,2-12,8 %; дисперсный фторангидрит 1,4-2,6 % и вода -23-28 %. Полученные стеновые материалы обладают следующими физикомеханическими характеристиками: средней плотностью 500-1200 кг/м3, прочностью на сжатие 5,0-7,0 МПа.
Процесс приготовления строительных изделий из разработанной смеси состоит из следующих операций: дозирование компонентов, двухступенчатое перемешивание смеси, формование изделий и тепловая обработка. Смешивание проводилось путем раздельного перемешивания заполнителя, строительного гипса, воды и смолы КФМТ-15 с фторангидритом. После перемешивания до однородного состояния массы объединялись и перемешивались до получения требуемой удобоукладываемости смеси. Формование изделий проводилось методом трамбования с последующим твердением в естественных условиях или тепловой обработке при 100 °С. Показано, что применение фторангидрита в качестве катализатора твердения карбамидоформальдегидной смолы оправданно получением более высоких прочностных характеристик изделий по сравнению с использованием традиционных катализаторов смолы.
На основе разработанных составов материалов из композиционных фторангидритовых вяжущих и режимов технологических процессов подготовлены регламенты изготовления поризованных стеновых материалов и изделий для малоэтажного строительства.
Библиографический список
1. Чернышева, Р.А. Переработка фосфогипса в высококачественные вяжущие вещества / Р.А. Чернышева //Строительные материалы. - 2008. - № 8. - С. 4-6.
2. Kudyakov, A. Warmedammmaterialen mit Fluoranhydriten Bindemitteln. 17 / A. Kudyakov, L. Anikanowa, V. Redlich // Internationale Baustofftagung (Ibausil). Tagungsbericht -Band 1. - Weimar, Deutschland, 2009. - S. 1-0885-1-0889.
3. Завадский, В.Ф. Стеновые материалы и изделия/ В.Ф. Завадский, А.Ф. Косач, П.П. Дерябин. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. - 254 с.
4. Пат. 74385. Российская Федерация. Строительное изделие из поризованного гипсобетона // Кудяков А.И., Аниканова Л.А., Редлих В.В. - Заявка № 2008107495/22 от 26.02.2008.
5. Петрова, Л.В. Химия вяжущих строительных материалов / Л.В. Петрова. - Ульяновск : УлГТУ, 2009. - 64 с.
6. Kudyakov, A. Porose Wandbaumaterialien auf Basis des sauren Fluoranhydrids. 1. Weimarer Gipstagung, 30-31 Marz / A. Kudyakov, Anikanova. - Weimar : Bauhaus-Universitat, 2011. -S. 245-249.
