Проблемы и перспективы разработки составов гипсобетонов с заполнителями из пенопластов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы и перспективы разработки составов гипсобетонов с заполнителями из пенопластов

Тремаскина М.С.

Аннотация

Представлен анализ отечественных и зарубежных исследований по получению гипсовых изделий с использованием в качестве заполнителей пенопластов. Рассматриваются прочностные характеристики получаемых изделий, а также их плотность. Особое внимание уделено проблеме низкой адгезии гипсового камня к полимерному заполнителю, рассматривается несколько путей решения данного вопроса. Целесообразно применение комплексного подхода к повышению сцепления минерального вяжущего и полимерного заполнителя. гипс минеральный заполнитель пенопласт

Ключевые слова: гипс, пенопласты, пенополистирол, адгезия, энергоэффективность, полимерные отходы.

Analysis of domestic and foreign studies on the receipt of gypsum products using foam cellular plastic as a filler. The strength characteristics of the resulting products, as well as their density, are considered. Particular attention is paid to the problem of low adhesion of gypsum to a polymer aggregate, several ways to solve this issue are considered. It is probably advisable to use an integrated approach to increase the adhesion of the mineral binder and polymer aggregate.

Keywords: gypsum, foams, polystyrene foam, adhesion, energy efficiency, polymer waste.

Изделия для устройства внутренних стен и межкомнатных перегородок должны обладать достаточной прочностью, пониженной плотностью, хорошими звукоизоляционными свойствами, а также пожарной безопасностью, и обеспечивать невысокую трудоёмкость устройства из них стен и моделирования помещений [5,8].

Для эффективного повышения огнестойкости и пожарной безопасности строительных конструкций хорошо известны гипсовые материалы. В случае возникновения пожара эндотермический процесс дегидратации двуводного гипса позволяет увеличить временной интервал повышения температуры по толщине конструкции, что предотвращает или, по крайней мере, замедляет её разрушение. Гипсовые и гипсобетонные стеновые изделия давно и успешно используются, однако, имеют достаточно высокую среднюю плотность (1100 кг/м³ и более), что негативно сказывается на трудоёмкости возведения стен и нагрузке на несущие конструкции. Поризация гипсовой матрицы, введение в состав гипсовых композиций пористых заполнителей, - эти приемы позволяют снизить плотность гипсовых изделий.

Очевидно, что эффект снижения массы гипсовых изделий легко может быть достигнут введением в их состав пенопластов, по аналогии, например, с известными изделиями из полистиролбетона - цементного бетона с использованием в качестве заполнителя пенополистирола. Полистиролбетон на цементном вяжущем получил большое распространение, с тех пор, когда 1952 году западногерманская фирма «BASF» запатентовала способ производства стиропорбетона (бетон с заполнителем из гранул полистирольного пенопласта) [2].

Технологии гипсополистиролбетона распространены гораздо меньше. Доступность и экологичность гипса, способность гипсовых материалов создавать благоприятный микроклимат в помещениях, - эти преимущества обусловливают актуальность разработки облегченных гипсовых стеновых изделий с использованием в составах композиций пенопластов. Помимо первичного полимерного сырья существуют и с каждым годом преумножаются техногенные полимерные ресурсы. Это - отходы пенополистирольной упаковки, строительные отходы теплоизоляционных изделий (из беспрессового и экструзионного пенополистирола, полиизоцианурата и др.). В современных условиях повышенного внимания к экологическим проблемам технологии, позволяющие эффективно утилизировать полимерные отходы, необходимы и представляют особый интерес.

Известно, что у гипса невысокая адгезия к заполнителям [1,3], как следствие - невысокие физико-механические свойства наполненных гипсовых изделий, что и является основной сложностью при введении в гипсовые композиции полимерных частиц. Тем не менее, существует исследовательская информация по составам гипсовых композиций [4,12,14,15], наполненных гранулами пенополистирола, с достижением в затвердевших изделиях прочности при сжатии до 5,6 МПа, что предполагает достаточную адгезию гипсовой матрицы к заполнителю. Так, в [4] предложена сухая строительная смесь на основе гипсового вяжущего и модифицирующих добавок, которую перемешивают с увлажненными гранулами пенополистирола в соотношении: пенополистирола 62,7%, воды 7,2% и сухой смеси 30,1% по массе. Полученную композицию используют для засыпки в пространства несъемной опалубки стены, или для выравнивания пола, или потолочного пространства. Прочность затвердевшей композиции составляет 4 МПа [4]. Поэтому целью данной работы являлся анализ отечественных и зарубежных исследований в области разработки составов композиций на основе гипса и пенопластов с достаточной прочностью получаемых изделий, с акцентом на изучение проблемы адгезии гипсовой матрицы к полимерному заполнителю.

Анализ исследовательской информации показал, что существует несколько подходов к повышению прочности гипсовых изделий с полимерными заполнителями.

В первую очередь, очевидно, снижение количества воды затворения позволит увеличить прочность гипсобетонных изделий. Эта задача решается в двух аспектах: с сохранением заданной удобоукладываемости смеси при одновременном снижении водосодержания в результате введения пластификаторов; использованием технологий, позволяющих применять композиции менее пластичной консистенции, то есть менее обводненные.

Исследованиями полистиролбетона, в том числе и на основе гипсовых вяжущих, проведенными Соковым В.Н. и сотрудниками [7,12,14], показана эффективность технологий форсированного электропрогрева масс на полистироле в жестких перфорированных формах. За счёт теплосилового воздействия на гипсовое тесто, развиваемое при электропрогреве самоуплотняющимися массами, механическим отжатием количество воды затворения в системе доводится до значений, близких к теоретически необходимым для гидратации вяжущего, создавая более прочную структуру гипсового камня [12,14]. Прочность полученных по такой технологии композитов (состав композиции: гипс - 70,9% пенополистирол - 3,6%, вода - 25,3%, замедлитель - 0,2% по массе) составляет 4,0-4,4 МПа при плотности 650 кг/м³ [12,14].

Авторами [6,13] для формования перегородочных камней из гипсополистиролбетона рекомендован метод вибропрессования. Изделия формуют из жестких смесей, с ограниченным расходом воды. По мнению авторов, это позволит наиболее полно использовать возможности полуводного гипса в-модификации, гидратация которого в условиях пониженного водосодержания способствует формированию мелкокристаллической структуры искусственного камня, характеризующейся повышенной прочностью. Экспериментальные исследования авторов выявили, что в производстве изделий возможно использовать обычные вибропрессовальные станки, на которых в процессе формования изделий смесь подвергается вибрации снизу и (или) сбоку с одновременной подпрессовкой под давлением 0,02 МПа. Полученные изделия при средней плотности 300-450 кг/м³ имеют предел прочности на сжатие до 1,1 МПа [6,13].

Также для повышения прочности используется такой технологический процесс, как подпрессовка. В результате создаются стесненные условия, необходимые для перехода коагуляционных контактов между частицами гипса в кристаллизационные [1].

Еще одним подходом, также нацеленным на повышение прочности самой гипсовой матрицы, является наномодификация структуры. В [10] для модифицирования гипсополистиролбетона применяется нанодисперсная добавка, получаемая в результате ультразвукового диспергирования портландцемента низкой активности в водной среде органического стабилизатора. В [9] использовалась добавка метакаолина, которая является эффективным катализатором процессов структурообразования для композиционных материалов с использованием минеральных вяжущих. Нанодобавка приводит к перераспределению пор гипсового камня в контактной зоне с пенополистиролом за счет дополнительного образования упрочняющих и уплотняющих кристаллических сростков, соответствующих гидросульфатам кальция, что создаёт наиболее прочное срастание гипсовой матрицы с полимерным заполнителем [10].

Принципиально другим подходом к повышению прочности гипсовых изделий с полимерными заполнителями является применение «добавок - совместителей», которые создают промежуточный слой между гипсовой матрицей и заполнителем, усиливая сцепление между ними. Так, в [6,13] применяется добавка, представляющая собой редиспергируемый порошок на основе сополимера винилацетата и этилена, обеспечивающая усиление адгезии зерен полистирольного заполнителя к затвердевшему гипсовому камню [6,13].

Также прочность гипсовых изделий с полимерными заполнителями может повышаться и за счет механического сцепления полимерных частиц с гипсом. В случае округлых гранул вспененного бисерного полистирола это реализовать сложнее, а с применением измельчённого экструдированного пенополистирола (например, строительных отходов теплоизоляции) или аналогичных материалов - возможно. За счёт своей «рваной» структуры измельчённый экструдированный пенополистирол сцепляется с гипсовым камнем механически. Такие разработки есть у европейских исследователей.

В работе [15] исследуется влияние отходов экструдированного пенополистирола различных фракций на основные свойства гипсовых композитов. В составе композиции в качестве вяжущего используется строительный гипс, а в качестве полимерного заполнителя - отходы экструдированного пенополистирола. Авторы [15] вводили в состав гипсовой смеси от 1 до 4% (масс.) заполнителя различных фракций: 1-2 мм, 2-4 мм и 4-6 мм. Полученные образцы при плотности 730 - 910 кг/м³ имели предел прочности при сжатии в диапазоне от 1,54 до 4,98 МПа. Также авторы вводили в композицию не только отдельные фракции экструдированного пенополистирола, но и их смесь в различном процентном соотношении. В этом случае плотность полученных образцов колеблется от 690 до 970 кг/м³, а предел прочности при сжатии составляет 1,47 - 5,64 МПа [15].

Также повышение прочности через механическое сцепление достигается путем дисперсного армирования гипсополистиролбетонной смеси, содержащей гипс, комплекс минеральных и органических добавок и дробленый полистирол [11]. Введенное в состав смеси хризотил-асбестовое волокно обладает адгезионной способностью к минеральной матрице, а будучи гибким, обволакивает элементы полистирольного заполнителя. В [11] предложена армированная гипсополистиролбетонная смесь для изготовления изделий, применяемых в несущих и ограждающих конструкциях зданий. Смесь содержит в качестве основного вяжущего строительный гипс или ангидрит, комплекс минеральных (в том числе, волокнистой) и органических добавок и дробленый полистирол или его смесь со вспененным полистиролом [11] в количестве от 0,70 до 0,98 м³ на 1 м³ смеси, причем, дробленый полистирол получают из отходов упаковочного и теплоизоляционного материалов. Отмечается, что введенное в состав смеси хризотил-асбестовое волокно обладает высокой адгезионной способностью к минеральной матрице, а будучи гибким, обладает способностью обволакивать элементы полистирольного заполнителя. Также авторы отмечают, что введенный в состав раствор полиакриламида улучшает условия объединения частиц дробленого или гранулированного полистирола, покрытых слоем вяжущего теста, с волокном в конгломераты. В результате изделия имеют прочность при сжатии 0,9 МПа при плотности 355 кг/м³ [11].

Таким образом, можно структурировать несколько существующих подходов к повышению прочности гипсовых изделий с использованием полимерного заполнителя:

· Повышение когезионной прочности гипсовой матрицы:

- Снижение водогипсового отношения и дополнительная кристаллизация;

- Упрочнение гипсовой матрицы через наномодификацию;

· Введение «добавки - совместителя»;

· Механическое сцепление.

Применяя комплексно указанные подходы, возможно получить гипсобетонные изделия с оптимальным балансом между плотностью и прочностью, достаточным для получения эффективных перегородочных изделий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Белов В.В. Современные эффективные гипсовые вяжущие, материалы и изделия: научно-справочное издание / В.В. Белов, А.Ф. Бурьянов, В.Б. Петропавловская; под общ. ред. А.Ф. Бурьянова. Тверь, 2007. 132 с.

2. Беляков В.А. Прочностные, деформационные и эксплуатационные свойства полистиролбетона для строительных конструкций и изделий: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Екатеринбург, 2010. 193 с.

3. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение): справочник / Ассоциация строительных вузов; под ред. А. В. Ферронской; сост. В. Ф. Коровяков [и др.]. Москва: Изд-во АСВ, 2004. 485 с.

4. Долгорев В.А. Сухая строительная смесь на основе гипсового вяжущего и способ получения легких бетонов для изготовления панелей, стен, полов, кровель и теплоизоляции межэтажных перекрытий зданий // Патент России № 2404146. 2010. Бюл. № 32.

5. Иващенко Ю.Г. Теплоизоляционные материалы на основе минерально-сырьевой

6. базы Поволжского региона / Ю.Г. Иващенко, И.Л. Павлова, М.П. Кочергина // Научное обозрение. 2015. №10. С. 131-135.

7. Каклюгин А.В. Полистиролбетон на основе модифицированного гипсового вяжущего / А.В. Каклюгин, И.В. Трищенко, А.В. Козлов, Я.С. Чижова // Междунар. науч.-практ. конф. «Наукоемкие технологии и инновации». Белгород, 2016. Ч. 1. С. 148-153.

8. Мишина Г.В. Технология гипсополистирольных изделий из самоуплотняющихся масс методом электропрогрева: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. М., 1984. 151 с.

9. Павлова И.Л., Мосюкова Н.О. Особенности проектирования школьных зданий с учетом современных нормативных требований // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2014. № 4. С. 441-445.

10. Прусаков М.А. Лёгкие конструкционные изделия из гипсополистиролбетона с использованием композиционной наномодифицирующей суспензии / М.А. Прусаков, А.А. Пыкин, М.Н. Александрова, М.В. Глазунова // Проектирование и строительство. Курск. 2016. С. 52-55.

11. Прусаков М.А., Пыкин А.А. Наномодифицированный гипсополистиролбетон // «Строительство-2016»: материалы II Брянского Междунар. инновационного форума. Брянск, 2016. С. 129-135.

12. Свинцов А.П. Армированная гипсополистиролбетонная смесь / А.П. Свинцов, Масри Гази Халед Сариб, Л.Г. Калашникова, Н.А. Егорова // Патент России № 2577348. 2016. Бюл. № 8.

13. Соков В.Н. Создание теплоизоляционных материалов в электрогидротеплосиловом поле / Соков В.Н. М.: Изд-во МИСИ, 2017. 326 с.

14. Трищенко.И.В., Каклюгин А.В., Чижова Я.С. Преимущества производства и применения гипсополистиролбетонных стеновых камней // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. Том 7. 2017. №2. С. 67-74.

15. Энергоэффективная скоростная технология получения высокотемпературных теплоизоляционных материалов: монография / В.Н. Соков ; М-во образования и науки Росс. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. Москва: Изд-во МГСУ, 2014. 328 с.

16. Gonzalez A. Lightweight material made with gypsum and extruded polystyrene waste with enhanced thermal behaviour / A. Gonzalez, M. Merino, C. Arrebola, P. Saez // Construction and Building Materials. 2015. №93. С. 57-63.

Размещено на Allbest.ru