Влияние вида пенообразователя на микроструктуру и свойства гипсового камня

Авторы: Н.П. Лукутцова, А.А. Пыкин, С.Н. Головин, Е.С. Шохов
Организация: Брянский государственный инженерно-технологический университет, г. Брянск
DOI: 10.53980/24131997_2022_1_57

Аннотация

Исследованы микроструктура и свойства гипсового камня (ГК) с использованием синтетического (СПО) и протеинового (ППО) пенообразователей. Установлено, что микроструктура ГК с СПО представлена крупнодисперсными кристаллами двугидрата сульфата кальция пластинчато-игольчатой морфологии с объемом мезопор диаметром 3–33 нм до 43×10⁻³ см³/г и макропор диаметром 60–130 нм до 30×10⁻³ см³/г. Микроструктура ГК с ППО отличается содержанием мелкодисперсных, плотноупакованных кристаллов CaSO₄×2H₂O призматического габитуса с объемом мезопор до 57×10⁻³ см³/г и макропор до 19×10⁻³ см³/г. Определено, что синтетический пенообразователь позволяет снизить среднюю плотность гипсового камня до 430 кг/м³, а теплопроводность – до 0,14 Вт/(м·°С). Протеиновый пенообразователь приводит к уплотнению и упрочнению ГК.

Ключевые слова: гипсовый камень, синтетический пенообразователь, протеиновый пенообразователь, кратность пены, физико-механические свойства, микроструктура.

Введение

Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с необходимостью разработки новых энергосберегающих материалов и изделий поризованной структуры, в том числе на основе гипсовых вяжущих и композиций на их основе [1–6], обладающих высокой прочностью, пониженными значениями средней плотности и теплопроводности [7].

К наиболее распространенным способам создания поризованных структур, предлагаемых в настоящее время, относятся технологии с применением газообразующих добавок [8]. Однако специфические свойства гипсовых вяжущих, в частности быстрое схватывание и твердение, затрудняют совместные процессы газовыделения и структурообразования.

В связи с этим актуальным и перспективным научно-техническим направлением является изыскание эффективных способов получения поризованных гипсовых материалов и изделий с использованием пенообразователей нового поколения [9].

Цель данной работы заключается в исследовании влияния вида пенообразователя на микроструктуру и физико-механические свойства (прочность на сжатие, среднюю плотность, коэффициент теплопроводности) гипсового камня (ГК), полученного способом сухой минерализации пен низкой кратности высокопрочным сепарированным гипсом.

Материалы и методы

В качестве сырьевых компонентов для получения ГК применялись:

• высокопрочный сепарированный гипс марки Г-16 А III, водопотребностью 37–40 % (ЗАО «Самарский гипсовый комбинат»);
• синтетический пенообразователь (СПО) «Пеностром» (Россия);
• протеиновый пенообразователь (ППО) «Foam X» (Италия).

Микроструктура ГК исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA 3 LMU (Tescan, Чехия), а также анализатора распределения пор по размерам QuadraSorb SI (Quantachrome Instruments, США) методом BJH (Barrett-Joyner-Halenda).

Прочность на сжатие ГК определялась на половинках образцов размерами 16×4×4 см через 2 ч твердения, изготовленных из смесей гипса с пенами низкой кратности (от 4 до 6) и без пен (с водой).

Приготовление смесей осуществлялось с помощью лабораторного смесителя миксерного типа в два этапа:

• получение пены из водного раствора пенообразователя с объемной концентрацией 0,6–0,65 % в течение 90 с;
• сухая минерализация пены (равномерное опудривание пузырьков) при постоянном перемешивании с гипсовым вяжущим в течение 60 с.

Средняя плотность и коэффициент теплопроводности ГК определялись на образцах размерами 10×10×10 см, высушенных при температуре 45–55 °С до постоянной массы. Коэффициент теплопроводности измерялся прибором ИТП-МГ4 с цилиндрическим зондом диаметром 5 мм.

Результаты и обсуждение

Методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что микроструктура гипсового камня (СПО «Пеностром») представлена крупнодисперсными кристаллами двугидрата сульфата кальция пластинчато-игольчатой морфологии (рис. 1 а, б) с объемом мезопор диаметром 3–33 нм до 43×10⁻³ см³/г и макропор диаметром 60–130 нм до 30×10⁻³ см³/г (рис. 2 а).

Микроструктура ГК с ППО «Foam X» отличается содержанием мелкодисперсных, плотноупакованных кристаллов CaSO₄×2H₂O призматического габитуса (рис. 1 в, г) с объемом мезопор до 57×10⁻³ см³/г и макропор до 19×10⁻³ см³/г (рис. 2 б).

Анализ физико-механических свойств ГК (табл.) показал, что при использовании СПО «Пеностром» средняя плотность гипсового камня снижается с 1320 до 430 кг/м³, коэффициент теплопроводности – с 0,57 до 0,14 Вт/(м·°С) (в 4 раза), прочность на сжатие – с 14,6 до 2,4 МПа (в 6 раз).

При этом ППО «Foam X» приводит к повышению прочности на сжатие гипсового камня с 14,6 до 17,5 МПа (в 1,2 раза) при увеличении средней плотности до 1360 кг/м³, а коэффициента теплопроводности – до 0,6 Вт/(м·°С).

Таблица – Физико-механические свойства гипсового камня

Выводы

Установлен характер влияния синтетического «Пенострома» и протеинового «Foam X» пенообразователей на микроструктуру и физико-механические свойства гипсового камня, полученного способом сухой минерализации пен низкой кратности (4–6) высокопрочным гипсом. Синтетический пенообразователь «Пеностром» позволяет снизить среднюю плотность до 430 кг/м³, коэффициент теплопроводности – до 0,14 Вт/(м·°С) гипсового камня с гарантированной прочностью на сжатие не менее 2 МПа, что эффективно при производстве теплоизоляционных гипсовых материалов и изделий. Протеиновый пенообразователь «Foam X» способствует повышению прочности на сжатие гипсового камня в 1,2 раза при увеличении средней плотности и теплопроводности.

Список литературы

1. Ilina L.V., Zavadskaya L.V., Ilina A.I. Investigation of Composition and Technological Parameters of Highly Porous Gypsum Products Obtaining // Solid State Phenomena. – 2020. – Vol. 299. – P. 130–136.
2. Шигапов Р.И., Синицин Д.А., Кузнецов Д.В. и др. Использование конструкционно-теплоизоляционного пеногипса при строительстве и реконструкции зданий. Проблемы и перспективы // Строительные материалы. – 2020. – № 7. – С. 28–33.
3. Шаталова С.В., Чернышева Н.В., Глаголев Е.С. и др. Эффективный ячеистый бетон на композиционном гипсовом вяжущем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2019. – № 10. – С. 11–18.
4. Chernysheva N.V., Shatalova S.V., Drebezgova M.Yu. et al. Thermal Insulating and Constructive Foamed Concrete on a Composite Gypsum Binder // Materials Science Forum. – 2019. – Vol. 974. – P. 125–130.
5. Булатов Б.Г., Шигапов Р.И., Ивлев М.А. и др. Каркасно-монолитная технология строительства малоэтажных зданий из пеногипса и стальных тонкостенных конструкций // Строительные материалы. – 2018. – № 8. – С. 36–39.
6. Бессонов И.В., Шигапов Р.И., Бабков В.В. Теплоизоляционный пеногипс в малоэтажном строительстве // Строительные материалы. – 2014. – № 7. – С. 9–13.
7. Коровяков В.Ф., Бурыянов А.Ф. Научно-технические предпосылки эффективного использования гипсовых материалов в строительстве // Жилищное строительство. – 2015. – № 12. – С. 38–40.
8. Suleymanova L.A., Kara K.A., Suleymanov K.A. et al. The topology of the dispersed phase in gas concrete // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Vol. 18 (10). – P. 1492–1498.
9. Isern E.R, Messing G.L. Direct foaming and seeding of highly porous, lightweight gypsum // Journal of Materials Research. – 2016. – Vol. 31 (15). – P. 2244–2251.

English abstract:

Influence of the type of foaming agent on microstructure and properties of gypsum stone. The article investigates the microstructure and properties of gypsum stone (GS) when used with synthetic (SFA) and protein (PFA) foaming agents. The authors found out that the microstructure of GS with SFA is represented by coarse particle crystals of calcium sulfate dihydrate of plate-acicular morphology with a volume of mesopores with a diameter of 3–33 nm up to 43×10⁻³ cm³/g and macropores with a diameter of 60–130 nm up to 30×10⁻³ cm³/g. The microstructure of GS with PFA differs in the content of finely dispersed, close-packed CaSO₄×2H₂O crystals of a prismatic habit with a mesopore volume of up to 57×10⁻³ cm³/g and macropores of up to 19×10⁻³ cm³/g. It was established that synthetic foaming agent enables to reduce average density of gypsum stone to 430 kg/m³, and the thermal conductivity to 0.14 W/(m·°C). Protein foaming agent results in compaction and hardening of the GS.

Key words: gypsum stone, synthetic foaming agent, protein foaming agent, foam expansion rate, physical and mechanical properties, microstructure.