CC BY
1DOI 10.53980/24131997_2024_4_108
Н.П. Лукутцова, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] А.А. Пыкин, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Е.С. Башарин, аспирант, e-mail: [email protected] П.В. Дубовской, аспирант, e-mail: [email protected]
Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск
УДК 691.33
ВЛИЯНИЕ НАНОСУСПЕНЗИИ МЕТАКАОЛИНА НА СВОЙСТВА ГИПСОБЕТОНА С ДРЕВЕСНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ
В статье представлены результаты исследования физико-механических свойств бетона на гипсовом вяжущем и древесном заполнителе для внутренних перегородок зданий с использованием наносуспензии, полученной путем ультразвукового диспергирования метакаолина (МКЛН) в водной среде суперпластификатора С-3 (СП С-3). Построена математическая модель зависимости седи-ментационной устойчивости наносуспензии от массовой концентрации МКЛН, СП С-3 и продолжительности воздействия ультразвуком. Определены размеры и дзета-потенциал частиц наносуспензии. Установлено, что разработанная наносуспензия позволяет повысить прочность и водостойкость гипсобетона с древесным заполнителем и снизить его водопоглощение.
Ключевые слова: гипсобетон, древесный заполнитель, метакаолин, наносуспензия, прочность, водостойкость, водопоглощение.
N.P. Lukutsova, Dr. Sc. Engeneering, Prof.
A.A. Pykin, Cand. Sc. Engeneering, Assoc. Prof.
E.S. Basharin, PG student P.V. Dubovskoy, PG student Bryansk State University of Engineering and Technology, Bryansk
EFFECT OF METAKAOLIN NANOSUSPENSION ON THE PROPERTIES OF GYPSUM CONCRETE WITH WOOD FILLER
The article presents the study ofphysical and mechanical properties of concrete with gypsum binder and wood filler. The concrete is designed for internal partitions of buildings and contains nanosuspension obtained by ultrasonic dispersion of metakaolin (MKLN) in aqueous medium of superplasticizer S-3 (SP S-3). The study represents a mathematical model of the dependence of nanosuspension sedimentation stability on mass concentration of MKLN, SP S-3 and exposure duration to ultrasound. The sizes and zeta potential of nanosuspension particles are determined. It is established that the developed nanosuspension allows to increase the strength and water resistance of gypsum concrete with wood filler, as well as to reduce its water absorption.
Key words: gypsum concrete, wood filler, metakaolin, nanosuspension, strength, water resistance, water absorption.
Введение
Известно, что гипсобетон (далее - ГБ) с древесным заполнителем (далее - ДЗ) является стойким к негативному воздействию водорастворимых редуцирующих веществ (сахаров) древесины и отличается хорошими адгезионными свойствами. Гипсовые вяжущие позволяют снизить гигроскопичность, горючесть, склонность к загниванию и поражению микроорганизмами древесного заполнителя [1-3].
Тем не менее ГБ с ДЗ характеризуется низкими прочностью и водостойкостью. Одним из решений данной проблемы может быть использование минеральных добавок природного и
искусственного происхождения как отдельно, так и в комплексе с суперпластификаторами, способствующих формированию плотной и прочной гипсовой матрицы [4-11].
В данном контексте большой научно-практический интерес вызывает метакаолин (AhO3x2SiO2) - тонкодисперсная активная минеральная добавка, получаемая термической обработкой природной глины (каолина) [12-15].
Цель работы - исследование влияния наносуспензии метакаолина на физико-механические свойства гипсобетона с древесным заполнителем (ГБ с ДЗ) для внутренних перегородок зданий.
Материалы и методы исследования
Для изготовления образцов ГБ с ДЗ применялись:
- гипсовое вяжущее марки Г-16 Б III ГОСТ 125-2018;
- абсолютно сухие березовые и сосновые опилки размером 1-5 мм;
- наносуспензия (далее - НС), полученная путем ультразвукового диспергирования (УЗД) метакаолина (МКЛН) по ГОСТ Р 59536-2021 со средним диаметром частиц 14 мкм в водной среде суперпластификатора С-3 (СП С-3) по ТУ 5870-002-58042865-03;
- вода затворения, объем которой в составах смесей определялся по водогипсовому отношению, соответствующему водопотребности гипсового вяжущего (36-40 %).
Приготовление гипсобетонных смесей осуществлялось в смесителе принудительного действия при последовательном дозировании древесных опилок, смоченных 2/3 частями воды, гипсового вяжущего и наносуспензии МКЛН, растворенной в 1/3 части воды.
Свойства ГБ с ДЗ определялись на образцах размерами 40x40x160 мм, которые были изготовлены виброуплотнением смесей в трехгнездовых формах и испытаны через 2 ч после их твердения в воздушно-сухих условиях и последующего высушивания до постоянной массы при температуре (50 ± 5) °С.
Устойчивость НС к процессу седиментации (оседанию частиц МКЛН в водной дисперсионной среде под действием силы тяжести) оценивалась по объему осадка в наносуспензии через 24 ч экспозиции с помощью седиментометра Н.А. Фигуровского.
Размер частиц наносуспензии анализировался методом фотонно-корреляционной спектроскопии на приборе ZetaPlus с многоугловой системой 90Plus/Bi-MAS, а ее устойчивость к процессу агрегации (укрупнению частиц и образованию агрегатов) - методом электрофорети-ческого светорассеяния по значению дзета-потенциала через 24 ч экспозиции.
Структура гипсовой матрицы ГБ исследовалась на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU.
Результаты исследования и их обсуждение
Разработка оптимального состава наносуспензии метакаолина выполнялась с помощью трехфакторного плана эксперимента типа B-D13 в соответствии с матрицей, представленной в таблице 1, и заключалась в построении математической модели зависимости седиментаци-онной устойчивости НС от массовой концентрации твердой фазы и продолжительности ультразвукового диспергирования.
Выбор факторов, уровней и интервалов их варьирования был обусловлен поиском значений, обеспечивающих получение НС с повышенной седиментационной устойчивостью, то есть с минимальным объемом осадка.
Математическая модель зависимости объема осадка (у) в наносуспензии от массовой концентрации МКЛН (х1), СП С-3 (х2) и продолжительности УЗД (хэ) описывалась уравнением регрессии, содержащим значимые коэффициенты по критерию Стьюдента и являющимся адекватным по критерию Фишера для оценки седиментационной устойчивости НС с доверительной вероятностью 95 %:
y = 10,62 + 5,39x1 - 14,02x2 - 2,31x3 + 7,63x12 + 17,48x22 - 3,26x32 - 2,15x1x2 - 4,17x1x3. (1)
Таблица 1
Матрица трехфакторного плана эксперимента по оптимизации состава наносуспензии метакаолина
№ опыта Кодированное значение фактора Натуральное значение фактора
Х1 Х2 Хз МКЛН, г/л С-3, г/л УЗД, мин
1 -1 -1 -1 1 0 4
2 +1 -1 -1 9 0 4
3 -1 + 1 -1 1 5 4
4 -1 -1 +1 1 0 8
5 -1 +0,19 +0,19 1 2,98 6,38
6 +0,19 -1 +0,19 5,76 0 6,38
7 +0,19 +0,19 -1 5,76 2,98 4
8 -0,29 +1 +1 3,84 5 8
9 -1 -0,29 +1 9 1,78 8
10 +1 +1 -0,29 9 5 5,42
По коэффициентам уравнения регрессии (1) был выполнен расчет объема осадка в НС в зависимости от заданных варьируемых факторов, характер влияния которых отображался поверхностями отклика (рис. 1), построенными с помощью компьютерной программы Sigma Plot. Из результатов математического моделирования следует, что для получения наносуспензии метакаолина с повышенной седиментационной устойчивостью наиболее оптимальным являлся состав НС, включающий 5 г/л метакаолина и 3,75 г/л суперпластификатора С-3, при продолжительности воздействия ультразвуком 8 мин. В данном случае объем осадка в НС не превышал 3 %.
Рисунок 1 - Поверхности отклика математической модели зависимости объема осадка в наносуспензии метакаолина от варьируемых факторов: а - УЗД 4 мин; б - УЗД 6 мин; в - УЗД 8 мин
110
Установлено, что ультразвуковое диспергирование МКЛН в водной среде СП С-3 способствовало образованию наносуспензии со средним значением дзета-потенциала частиц минус 72,8 мВ, что свидетельствовало о ее высокой устойчивости к процессу агрегации (рис. 2).
б
Рисунок 2 - Дзета-потенциал частиц метакаолина после УЗД в водной среде:
а - с СП С-3; б - без СП С-3
В результате УЗД метакаолина в водной среде СП С-3 была получена наносуспензия, средний диаметр частиц которой составлял 70 нм (рис. 3 а).
При этом НС содержала 80 % частиц диаметром от 39 до 52 нм, 20 % частиц - от 55 до 224 нм. Следует отметить, что средний диаметр частиц метакаолина после УЗД в водной среде без СП С-3 не превышал 1330 нм (рис. 3 б).
б
Рисунок 3 - Размеры частиц метакаолина после УЗД в водной среде: а - с СП С-3; б - без СП С-3
111
а
а
Результаты испытаний образцов гипсобетона с древесным заполнителем (табл. 2) показали, что зависимость его физико-механических свойств от содержания наносуспензии мета-каолина носила экстремальный характер.
Таблица 2
Физико-механические свойства гипсобетона с древесным заполнителем
Состав на 1 м3 гипсобетона Показатели свойств
древесные опилки, кг гипсовое вяжущее, кг наносуспензия метакаолина, л вода, л средняя плотность, кг/м3 коэффициент теплопроводности, Вт/(м^°С) прочность на изгиб, МПа прочность на сжатие, МПа водопоглощение по объему, % водостойкость (коэффициент размягчения)
Гипсобетон с березовыми опилками
0 300 1190 0,18 7,1 8,3 9,8 0,58
10 290 1205 0,19 7,7 9,2 9,6 0,61
170 1000 50 250 1223 0,20 8,3 10,9 9,5 0,72
100 200 1224 0,20 9,5 14,1 9,3 0,78
150 150 1210 0,19 8,2 12,6 9,6 0,72
200 100 1204 0,19 7,5 9,1 9,7 0,60
Гипсобетон с сосновыми опилками
0 300 1150 0,15 4,9 6,8 8,3 0,52
10 290 1160 0,15 5,3 7,4 8,2 0,54
140 1000 50 250 1175 0,16 6,2 9,5 8,1 0,65
100 200 1210 0,17 7,3 12,2 7,8 0,73
150 150 1170 0,16 6,1 11,3 8,0 0,66
200 100 1159 0,15 5,1 7,2 8,1 0,54
Максимальные значения прочности и водостойкости ГБ с ДЗ достигались при использовании НС в количестве 10 % от массы гипсового вяжущего.
В данном случае прочность на изгиб ГБ с березовыми опилками повысилась в 1,3 раза, прочность на сжатие - в 1,7 раза, а водостойкость - в 1,3 раза.
При введении НС в состав гипсобетона с сосновыми опилками его прочность на изгиб увеличилась в 1,5 раза, прочность на сжатие - в 1,8 раза, водостойкость - в 1,4 раза.
Рисунок 4 - Структура гипсовой матрицы в бетоне с древесным заполнителем (*3000): а - контрольный состав; б - состав с наносуспензией метакаолина
Повышение прочности и водостойкости ГБ с ДЗ обусловлено тем, что наночастицы метакаолина, стабилизированные суперпластификатором С-3, блокируют поверхность кристаллогидратов гипсового вяжущего, задерживают их рост и изменяют форму от пластинчатой до кубовидно-призматической, что способствовало формированию более плотной гипсовой матрицы (рис. 4).
Заключение
В ходе выполнения исследования установлено, что использование наносуспензии, полученной путем ультразвукового диспергирования метакаолина в водной среде суперпластификатора С-3, в количестве 10 % от массы гипсового вяжущего приводит к повышению прочности на изгиб в 1,3-1,5 раза, прочности на сжатие - в 1,7-1,8 раза, водостойкости - в 1,3-1,4 раза, а также снижению водопоглощения по объему на 5-6 % гипсобетона с березовыми и сосновыми опилками для внутренних перегородок зданий.
Библиография
1. Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Лукаш А.А. и др. Математические модели зависимости структурных и деформационно-прочностных свойств гипсодревесного композита от компонентного состава // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2023. - № 7. - С. 17-26.
2. Лукутцова Н.П., Лукаш А.А., Пыкин А.А. и др. Математическое моделирование влияния сырьевых компонентов на прочность гипсодревесного композита // Деревообрабатывающая промышленность. - 2023.- № 2. - С. 51-58.
3. Мацкевич Я.Д., Парфенова Л.М., Закревская Л.В. Физико-механические свойства гипсобетона на основе низкомарочного гипсового вяжущего с органическим заполнителем // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. - 2023. - № 3. - С. 34-40.
4. УрхановаЛ.А., Лхасаранов С.А., ОчировБ.О. Опилкобетон, полученный с применением древесных отходов Республики Бурятия и ультрадисперсных добавок // Вестник ВСГУТУ. - 2021. -№ 2 (81). - С. 69-74.
5. Батова М.Д., Семёнова Ю.А., Гордина А.Ф. и др. Структура и свойства гипсовых композиций с минеральными дисперсными добавками // Строительные материалы. - 2021. - № 10. - С. 49-53.
6. Рузина Н.С., Яковлев Г.И., Гордина А.Ф. и др. Модификация вяжущих на основе сульфата кальция комплексными добавками // Строительные материалы. - 2020. - № 7. - С. 18-22.
7. Изряднова О.В., ЯковлевГ.И., ПолянскихИ.С. и др. Изменение морфологии кристаллогидратов при введении ультра- и нанодисперсных модификаторов структуры в гипсоцементно-пуццолано-вые вяжущие // Строительные материалы. - 2014. - № 7. - С. 25-27.
8. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Гордина А.Ф. и др. Модификация структуры и свойств гипсового вяжущего дисперсией технической сажи // Интеллектуальные системы в производстве. - 2019. -№ 1. - С. 138-143.
9. Русина В.В., ДубровинаЮ.Ю., Чернов Е.И. Бетоны для ограждающих конструкций на основе отходов механической переработки древесины // Строительные материалы. - 2017. - № 9. - С. 32-35.
10. Шешуков А.П., Лычагин Д.В., Макаров Е.Я. Исследование процессов формирования структуры арболита при химической активации древесины // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2014. - № 3 (44). - С. 145-152.
11. Петропавловская В.Б. Использование минеральных ультрадисперсных модификаторов на основе отходов промышленности в гипсовых композитах // Строительные материалы. - 2018. - № 8. -С.18-23.
12. Брыков А.С. Метакаолин // Цемент и его применение. - 2012. - № 4. - С. 36-40.
13. Михайлюта Е.С., Алексеев Е.В., Коледа В.В. и др. Особенности формирования фазового состава метакаолинов и его влияние на их свойства // Цемент и его применение. - 2012. - № 5. - С. 66-71.
14. Кирсанова А.А., Крамар Л.Я. Органоминеральные модификаторы на основе метакаолина для цементных бетонов // Строительные материалы. - 2013. - № 11. - С. 54-56.
15. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of Nanodisperse Additives Based on Metakaolin // Glass and Ceramics. - 2015. - Vol. 71. - P. 383-386.
Bibliography
1. Lukuttsova N.P., Pykin A.A., Lukash A.A. et al. Mathematical models of dependence of structural and deformation strength properties of gypsum-wood composite on component composition // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. - 2023. - N 7. - P. 17-26.
2. Lukuttsova N.P., Lukash A.A., Pykin A.A. et al. Mathematical modeling of raw components influence on gypsumwood composite strength // Woodworking industry. - 2023. - N 2. - P. 51-58.
3. Matskevich Ya.D., Parfenova L.M., Zakrevskaya L.V. Physical and mechanical properties of gypsum concrete based on low-quality gypsum binder with organic filler // Vestnik of Polotsk State University. Part F. Constructions. Applied Sciences. - 2023. - N 3. - P. 34-40.
4. Urkhanova L.A., Lkhasaranov S.A., Ochirov B.O. Sawdust concrete obtained with the use of wood waste from the Republic of Buryatia and ultrafine additives // ESSUTM Bulletin. - 2021. - N 2 (81). - P. 69-74.
5. Batova M.D., Semyenova Yu.A., Gordina A.F. et al. Structure and properties of gypsum compositions with mineral dispersed additives // Construction Materials. - 2021. - N 10. - P.49-53.
6. Ruzina N.S., Yakovlev G.I., Gordina A.F. et al. Modification of binders based on calcium sulfate with complex additives // Construction Materials, 2020. - N 7. - P. 18-22.
7. Izryadnova O.V., Yakovlev G.I., Polyanskikh I.S. et al. Change of morphology of crystal hydrates at incorporation of ultra- and nano disperse structures modifiers into gypsum cement-pozzolana binders // Construction Materials. - 2014. - N 7. - P. 25-27.
8. Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Gordina A.F. et al. Technical carbon for modification of structure and properties of gypsum binder // Intelligent Systems in Manufacturing. - 2019. - N 1. - P. 138-143.
9. Rusina V.V., Dubrovina Yu. Yu., Chernov E.I. Concrete for enclosing structures based on waste from mechanical processing of wood // Construction Materials. - 2017. - N 9. - P. 32-35.
10. SheshukovA.P., Lychagin D.V., MakarovE.Ya. Investigation of formation processes of wood concrete structure during chemical activation of wood // Journal of Construction and Architecture of Tomsk State University of Architecture and Building. - 2014. - N 3 (44). - P. 145-152.
11. Petropavlovskaya V.В. The use of mineral ultra-disperse modifiers on basis of industrial wastes in gypsum composites // Construction Materials. - 2018. - N 8. - P. 18-23.
12. Brykov A.S. Metakaolin // Cement and its Applications. - 2012. - N 4. - P. 36-40.
13. Mikhailyuta E.S., Alekseev E.V., Koleda V.V. et al. Specifics of phase composition formation of metakaolins and its influence on their properties // Cement and its Applications. - 2012. - N 5. - P. 66-71.
14. KirsanovaA.A., KramarL.Ya. Organomineral modifiers based on metakaolin for cement concretes // Construction Materials. - 2013. - N 11. - P. 54-56.
15. Lukuttsova N.P., Pykin A.A. Stability of Nanodisperse Additives Based on Metakaolin // Glass and Ceramics. - 2015. - Vol. 71. - P. 383-386.
