УДК 666.941.4
Ханс-Бертрам Фишер, Борис Второв
Bauhaus-Universität, Weimar
1. Введение
Материалы на основе природного ангидрита многие годы находят широкое применение в строительстве. Поскольку для производства таких материалов не требуется процесса обжига, их актуальность (как альтернатива цементу, извести и гипсу) продолжает возрастать.
Строительные материалы и изделия на основе ангидритового вяжущего отличаются хорошими потребительскими свойствами, такими как высокая прочность на изгиб и сжатие, высокая теплопроводность, негорючесть.
В связи с тем, что реакция взаимодействия ангидрита с водой носит довольно медленный характер, на практике применяют специальные добавки (активизаторы твердения). В качестве таких добавок используются смеси сульфатов щелочных и щелочеземельных металов, которые перемалываются совместно с ангидритом и таким образом равномерно распределяются в объеме.
Из литературных источников и практического опыта предприятий производителей строительной продукции известно, что базовая смесь из молотого природного ангидрита должна включать в себя сульфат калия K2SO4 и гидроксид кальция Ca(OH)2 в качестве основных активизаторов твердения. С помощью добавок других сульфатов можно улучшить состав вяжущего.
Целью данной работы являлось исследование влияния различных активизаторов твердения (сульфатов) на основные свойства ангидритового вяжущего (сроки схватывания, прочность на изгиб и сжатие, степень гидратации).
2. Материалы и методы исследования
В качестве вяжущего в данной работе использовался природный ангидрит.
В качестве основных активизаторов твердения применяли сульфат калия K2SO4 и гидроксид кальция Ca(OH)2.
В качестве добавок использовали KAl(SO4)2×12H2O, Na2SO4, (NH4)2SO4, CuSO4, FeSO4×7H2O, MgSO4×7H2O, ZnSO4×H2O, NaHSO4×H2O, KHSO4.
Предел прочности при сжатии и изгибе определялся на образцах-призмах размером 40´40´160 мм.
Сроки схватывания определялись на приборе Вика.
Степень гидратации определяли двумя методами:
1) прерыванием гидратации изопропанолом с последующей сушкой при 45°C;
2) исключительно сушкой при 45°C.
Поскольку различие в результатах оказалось весьма незначительным, в последующем исследования проводились по второму методу. Принятый метод проще в применении, дешевле и экологически менее вреден, так как не предполагает использование токсичных веществ (растворитель).
3. Предварительные исследования
Исходя из специфики ангидритового вяжущего, на первом этапе исследований было установлено требуемое содержание воды затворения. Водоотделение наблюдалось при водовяжущем отношении более 0,4. Это значение соответствует расплыву смеси без вибрации 13,2 см. При водовяжущем отношении менее 0,38 смесь теряет текучесть и становится нетехнологичной (расплыв смеси менее 10 см). Исходя из этого дальнейшие исследования проводились на смесях с водовяжущим отношением 0,38.
В ходе предварительных исследований прежде всего было установлено, какое действие оказывают основные активизаторы твердения (сульфат калия и гидроксид кальция) на свойства ангидритового вяжущего.
Добавка гидроксида кальция ведет к повышению рН-показателя ангидритового раствора. При этом отмечено, что с ростом добавки Ca(OH)2 происходит сокращение сроков схватывания вяжущего.
Исходя из значений прочности, после 28 сут. твердения оптимальное количество добавки Ca(OH)2 составляет 0,2…0,4%. Более интенсивный набор прочности в первые 3 сут. твердения происходит при содержании Ca(OH)2 — 0,5%.
Повышение концентрации добавки K2SO4 ускоряет процесс гидратации и ведет к сокращению сроков схватывания.
Изменение содержания добавки K2SO4 имеет в наблюдаемом диапазоне относительно малое влияние на прочность. Только при добавке K2SO4 — 3% через 7 сут. твердения было отмечено значительное повышение прочности материала.
Прочность ангидритового вяжущего в значительной мере зависит от количества связанной воды. В результате твердения ангидритового вяжущего количество гидратной воды постепенно возрастает.
Величина степени гидратации в зависимости от длительности твердения для различных составов дало в результате ожидаемую взаимосвязь с прочностью. Следует отметить, что наибольшее значение степени гидратации 0,47 соответствует концентрация Ca(OH)2 в вяжущем 0,3%. Изменение концентрации K2SO4 не оказывает значительного влияния на степень гидратации.
На основании полученных результатов предложено вводить в ангидритовое вяжущее Ca(OH)2 в количестве 0,3% и K2SO4 – 2%. В дальнейшем изучение влияния добавок сульфатов на свойства ангидритового вяжущего производилось на базовой смеси указанного состава.
Для базовой смеси ангидритового вяжущего характерна шелочная реакция среды (рН=13). Используемые в работе сульфаты по разному влияют на рН-показатель ангидритового раствора. Большинство добавок с различной интенсивностью снижают рН-показатель. Только добавка Na2SO4 уже при концентрации более 0,3% повышает основность среды до рН=14. Высокие концентрации KAl(SO4)2×12H2O, CuSO4, FeSO4×7H2O и NaHSO4×H2O (более 1%) придают ангидритовому раствору кислый характер.
Начало схватывания базовой смеси наступает через 120 мин после затворения, а конец через 180 мин. Минеральные добавки оказывают значительное влияние на сроки схватывания ангидритового вяжущего (см таблицу). Зависимости сроков схватывания для многих сульфатов от их концентраций в вяжущем носят ярко выраженный экстремальный характер с максимумами в области средних значений (0,3…1%). Малые концентрации (0,3%) большинства сульфатов приводят к увеличению сроков схватывания. Так при введении в смесь 0,3% FeSO4×7H2O начало схватывания наступает только через 362 мин, а конец через 417 мин. Минимальные сроки схватывания отмечены при введении в базовую смесь 1% KAl(SO4)2×12H2O (начало через 35 мин., конец через 52 мин.). При содержании в базовой смеси добавок KAl(SO4)2×12H2O, NaHSO4×H2O и KHSO4 в количестве более 3% определение сроков схватывания не представлялось возможным из-за вспенивания раствора.
4. Планируемые исследования
На основании полученных результатов в дальнейшем планируется изучить влияние указанных выше сульфатов на прочность на изгиб и сжатие, степень гидратации, относительное удлинение, пористость ангидритового вяжущего. Разработать комплексные добавки на основе сульфатов для придания требуемых свойств ангидритовому раствору. Провести структурный анализ полученного материала. Провести длительные испытания образцов.
