2427

Анализ данных, приведенных на рис. 5.7, свидетельствует о том, что количество электролита Al2(SO4)3, вызывающего коагуляцию золя, составляет ск = 0,006 моль/л.

В результате эксперимента установлено, что эффективными стабилизаторами для золя кремниевой кислоты являются желатин, поливиниловый спирт (ПВС) и катионитовый сополимер акриламида К-280 (рис.5.8).

Рис. 5.8. Зависимость оптической плотности от объема стабилизатора: 1 – ПВС; 2 –желатин; 3 – катионитовый сополимер акриламида К-280

Защитная способность раствора стабилизатора относительно выбранного золя характеризуется защитным числом S – количеством вещества, требуемым для стабилизации единицы объема золя. Защитное число S (г/л золя) вычисляли по уравнению [54]:

где сст – концентрация раствора стабилизатора, г/л;

Vзащ – объем раствора стабилизатора, необходимый для предотвращения коагуляции золя, мл;

V – объем золя, мл.

Определяли защитное число стабилизатора относительно золя кремниевой кислоты. Концентрация раствора желатина составляла 5 %, ПВС – 2 %, катионитового сополимера акриламида К-280 – 8 %. Для этого готовили пробы, наливая в пробирки золь, воду, раствор стабилизатора и электролита. Объем раствора электролита равнялся Vк. Изменялось соотно-

261

шение воды и раствора стабилизатора, общий объем проб оставался одинаковым. Электролит-коагулятор добавляли через 10–15 мин после введения стабилизатора для его адсорбции на частицах золя. Оптическую плотность золя измеряли через 3–5 мин после введения электролита. Строили график зависимости D = f(Vст) для каждого стабилизатора и результаты наблюдения записывали в табл. 5.9 следующими условными обозначениями:

Находили объем раствора стабилизатора Vзащ, необходимый для предотвращения коагуляции золя, и по формуле (5.15) рассчитывали значения защитного числа S.

Значения Vзащ соответствует объему стабилизатора в золе, содержащем пороговый объем Vк электролита, при котором на кривой зависимости D = f(Vст) появляется нижний горизонтальный участок (см. рис. 1.8). Результаты расчета и эксперимента показали, что защитное число желатина S = 4,0 г/л золя, поливинилового спирта S = 0,4 г/л золя, катионитового сополимера акриламида К-280 S = 12,8 г/л золя.

Установлены размеры частиц стабилизированного золя кремниевой кислоты, рассчитанные по уравнению Геллера и составляющие при сроке старения 1 сут: золь + желатин r = 64 нм, золь + ПВС – 52 нм, золь + катионитовый сополимер акриламида К-280 – 78 нм.

Таблица 5.9 Экспериментальные данные определения стабилизаторов кремнезоля

262

5.3. Закономерности структурообразования известковых композиций с зольсодержащей добавкой

5.3.1. Закономерности формирования структуры известковых композиций с зольсодержащей добавкой

Разработка рецептуры известковых отделочных составов проводилась по двум направлениям: создание декоративного штукатурного и красочного составов.

При разработке рецептуры декоративного штукатурного состава учитывались рекомендации национальных и международных нормативных документов. В положениях нормативного документа «Свод правил по проектированию и строительству. Приготовление и применение растворов строительных. СП 82-101-98» [216] в таблице 16 приведены рекомендации по составу штукатурного обрызга, грунта и отделочного слоя для наружной штукатурки стен, цоколей, карнизов и других элементов, подвергающихся систематическому увлажнению, а также для внутренней штукатурки в помещениях с относительной влажностью воздуха выше 60 %, а в таблице 17 – рекомендации по составу наружной штукатурки стен, не подверженных систематическому увлажнению, и внутренней штукатурки для помещений с относительной влажностью воздуха до 60 %.

Мировая практика проведения штукатурных работ основывается на следующем подходе к обоснованию состава отдельных штукатурных слоев. В основе подхода лежит так называемое штукатурное правило, иногда именуемое даже штукатурным законом [217]. Согласно этому правилу прочность штукатурных слоев должна снижаться в направлении от основания к наружной поверхности штукатурного покрытия, то есть состав для обрызга должен быть самым прочным и содержать наибольшее количество вяжущего вещества, и соответственно содержание вяжущего должно прогрессивно уменьшаться в составах для грунта и для слоя накрывки. Прочность состава для обрызга должна быть равной или несколько более низкой по сравнению с прочностью покрываемой обрызгом основы.

Превышение раствором для обрызга прочности основания может явиться причиной разрушения контактных зон между слоем обрызга и основанием (и, равным образом, любых других контактных зон, например, между слоем обрызга и слоем грунта или между слоем грунта и отделочным слоем) вследствие появления в ней напряжений, обусловленных деформациями усадки.

В DIN 18550 часть 2 все рекомендуемые к применению составы штукатурных растворов (за исключением гипсовых и ангидритовых) характеризуются соотношением вяжущее: песок от 3–3,5 до 4,0–4,5. Аналогичные рекомендации дает стандарт Великобритании BS4887. Соотношение

263

вяжущее:заполнитель является определяющим для прочности искусственного камня, образующегося в результате твердения вяжущего вещества. Минимальная прочность при сжатии таких штукатурных цементных растворов согласно DIN 18550 должна быть не менее 10 МПа. Такую прочность имеют растворы с соотношением цемент:песок 1:3. К штукатурным растворам на воздушной извести требований в отношении прочности при сжатии не предъявляется. Растворы на основе гидравлической и высокогидравлической извести должны иметь минимальный предел прочности при сжатии, соответственно – 1,0 и 2,5 МПа.

Для приготовления известковых отделочных составов с целью расширения цветовой гаммы нами предлагается вводить в их рецептуру суглинок Нижнеаблязовского месторождения (Кузнецкий район Пензенской области).

По данным Комитета РФ по геологии и использованию недр, балансовые запасы суглинка по кат. А+В составляют 82 тыс. т. Мощность полезной толщи 1–7 м, средняя протяженность 120–140 м, ширина 70–90 м.

Наполнитель представляет собой суглинок красно-коричневого цвета, гранулометрический состав которого, определенный по методу Рутковского, приведен в табл. 5.10. Средний диаметр частиц суглинка 17,2·10–6 м, удельная поверхность Sуд=132 м2/кг. Химический состав песка следующий,

масс. %: SiO2 – 89,34–95,48; Al2O3 – 2,45–5,06; Fe2O3 – 0,31–4,7; п.п.п. – 0,32– 1,10. Содержание пигмента в песке 97 кг/м3. Запасы охристых песков по месторождению подсчитаны по категории А2 в количестве 80 тыс.м3 или 106.4 тыс.т. Средняя плотность породы колеблется от 1,271 до 1,379 г/см3. Содержание водорастворимых солей в породах незначительное; количество их колеблется от следов до 2,81 %. Содержание окислов железа в обогащенной породе составляет 15,59–21,98 %. Количество обогащенной породы, выделенной из минерального сырья в результате мокрого обогащения, колеблется от 1,56 до 16,37 %.

При разработке рецептуры известковых составов соотношение компонентов известь:песок (И:П) варьировалось от 2 до 4. При подборе рецептуры мастичного красочного состава испытывались образцы, приготовленные на молотом суглинке с удельной поверхностью Sуд = 507 м2/кг, а при подборе рецептуры декоративной штукатурки – на песке фракции 0,314–0,14 мм. Образцы-кубы изготавливали из известково-песчаной смеси

264

соответственно с В/И = 2 и 1,2. Для сравнения применялся песок фракции 0,314–0,14 мм Ухтинского месторождения. В качестве вяжущего использовали гашеную известь (пушонка) активностью 71–76 %, истинной плотностью 2230 кг/м3, насыпной плотностью 280 кг/м3, с удельной поверх-

ностью (Sуд) 559 м2/кг.

В табл. 5.11 приведены значения прочности при сжатии композиций в зависимости от известково-песчаного соотношения.

Таблица 5.11 Прочность при сжатии в зависимости от соотношения

известь:песок

прочности при сжатии указаны с надежностью 0,95.

Анализ полученных экспериментальных данных (см. табл. 5.11) свидетельствует о том, что известковые составы с применением песка фракции 0,314–0,14 мм обладают невысокой прочностью, составляющей в возрасте 28 сут Rсж = 0,51–0,81 МПа. Прочность образцов на основе состава с применениеммолотогосуглинкассоотношениемИ:Н= 1:(2-4) Rсж = 0,76–0,95 МПа.

Составы на основе песка Нижнеаблязовского месторождения по сравнению с песком Ухтинского месторождения обладают более высокой прочностью. Так, прочность известковых составов с соотношением И:П = 1:3 с наполнителем Нижнеаблязовского месторождения составляет 0,69 МПа, а на основе песка Ухтинского месторождения – 0,49 МПа. На наш взгляд, более высокая прочность известковых композиций на основе Нижнеаблязовского суглинка обусловлена его более высокой активностью.

Для определения активности суглинка был использован ускоренный метод определения активности кислых минеральных добавок осадочного происхождения, т.е. по растворимости добавок в 20%-м растворе КОН

[17].Для проведения испытаний были отобраны три пробы:

1)измельченный суглинок Нижнеаблязовского месторождения удельной поверхности Sуд= 507 м2/кг;

265

2)фракция 0,314–0,14 мм песка Нижнеаблязовского месторождения;

3)фракция 0,314–0,14 мм песка Ухтинского месторождения. Установлено, что измельченный суглинок Нижнеаблязовского место-

рождения обладает более высокой активностью, составляющей А1=180 мг СаО на 1 г добавки, в то время как активность цветного песка Нижнеаблязовского месторождения фракции 0,314–0,14 мм составила А2=130 мг СаО на 1 г добавки и активность песка Ухтинского месторождения фракции

0,314–0,14 мм – А3=100 мг СаО на 1г добавки.

Учитывая низкую прочность известковых составов, при разработке рецептуры применяли добавку – золь кремниевой кислоты.

Для изучения закономерностей формирования структуры и свойств отделочных составов и покрытий на их основе были исследованы образцы с различным соотношением известь:золь (И:З). Полученный 2%-й и 4%-й золь кремниевой кислоты вводили вместе с водой затворения в растворную смесь, соотношение известь:золь составляло 1:0,25, 1:0,5; 1:1 и 1:1,5. Состав И:Н = 1:3, В/И=2, молотый суглинок Sуд = 507 м2/кг.

Для сравнения были исследованы также составы с добавками аэросила 150, опоки и микроволластонита. Результаты исследований приведены в табл. 5.12–5.13 и на рис.5.9.

266

Анализ данных, приведенных на рис. 5.9, свидетельствует о том, что введение добавки золя кремниевой кислоты способствует повышению прочности при сжатии известковых растворов. Так, прочность при сжатии раствора при введении 2%-го золя кремниевой кислоты при соотношении И:З=1:1 в возрасте 28 сут твердения составляет Rсж = 1,7 МПа, а контрольного (без добавки золя) – 0,85 МПа. Повышение концентрации золя вызывает больший прирост прочности. При введении в рецептуру 4%-го золя при соотношении И:З=1:1 прочность при сжатии составляет Rсж = 1,98 МПа. Дальнейшее увеличение содержания золя кремниевой кислоты в рецептуре известковых отделочных покрытий при соотношениях И:З=1:1,25 и И:З=1:1,5 вызывает незначительный прирост прочности. Установлено, что по комплексу физико-механических свойств оптимальным является соотношение известь:золь = 1:1 при использования 2%-го золя. Применение двухпроцентного золя кремниевой кислоты обусловлено его жизнеспособностью, хотя 4%-й золь дает большее увеличение прочности.

При изучении кинетики твердения известковых композиций установлено, что эффективность действия золя наблюдается и в раннем возрасте твердения. Так, прочность при сжатии состава с соотношением компонентов И:Н=1:3, В/И=2 с добавкой 2%-го золя кремниевой кислоты при отношении И:З=1:0,5 в возрасте 7 сут составила Rсж = 0,68 МПа и в возрасте 28 сут Rсж = 1,23 МПа, в то время как у контрольного состава – соответственно Rсж = 0,25 МПа и Rсж = 0,85 МПа (табл. 5.12).

Таблица 5.12 Влияние добавок на прочность при сжатии известковых составов

П р и м е ч а н и е . Над чертой указаны значения прочности при сжатии, если применяется золь в возрасте 15 сут, под чертой – в возрасте 1 сут.

Увеличение срока старения золя кремниевой кислоты до 15 сут, способствующего снижению его активности, вызывает меньшее повышение прочности при сжатии в возрасте 28 сут воздушно-сухого твердения, составляющее при отношении И:З=1:1 29 % по сравнению со 100 % при

267

сроке старения золя 1 сут (см. табл. 5.12). Введение добавки аэросила 150 способствует повышению прочности при сжатии всего лишь на 11 % по сравнению с контрольным составом в возрасте 28 сут твердения.

В табл. 5.13 приведены значения прочности известковых композиций с добавкой опоки. Установлено, что более эффективным оказывается действие золя кремниевой кислоты. Так, прочность при сжатии составов с соотношением компонентов И:П = 1:4 (фракция песка 0,314–0,14 мм), В/И = 1,2 с добавкой опоки в возрасте 28 сут твердения составляет 1,12 МПа, с золем – 1,54 МПа, контрольного состава – 0,81 МПа.

Таблица 5.13 Влияние добавок на прочность при сжатии известковых составов

В табл. 5.14 приведены числовые значения прочности известковых композиций с добавкой волластонита, подтверждающие незначительное повышение прочности при введении в рецептуру волластонита. Однако наличие в отделочном составе волластонита способствует повышению его трещиностойкости. При визуальном осмотре состояния поверхности отделочных слоев на бетонной подложке установлено, что на поверхности отделочных слоев на основе контрольного состава наблюдаются трещины, а на образцах на основе составов с добавкой микроволластонита и с добавкой микроволластонита + золя кремниевой кислоты наличие трещин не зафиксировано.

Таблица 5.14 Влияние добавок на прочность при сжатии известковых составов, МПа

С целью уменьшения деформаций набухания и ускорения процесса отверждения известковых составов предлагается вводить в рецептуру смеси добавку сульфата алюминия Al2(SO4)3 в количестве, составляющем

268

значение порога коагуляции ск = 0,006 моль/л или 4–4,5 % от массы 2%-го золя кремниевой кислоты (или 4–4,5 % от массы извести).

В табл. 5.15 приведены значения прочности при сжатии известковых составов при введении добавки сульфата алюминия.

Таблица 5.15 Влияние добавок на прочность при сжатии известковых составов, МПа

+Al2(SO4)3

Пр и м е ч а н и е . *Для стабилизации золя применяли поливиниловый спирт.

**Значение доверительного интервала для значений прочности при сжатии указаны с надежностью 0,95.

Анализ экспериментальных данных показывает, что стабилизированный золь обладает меньшей активностью взаимодействия с известью (см. табл. 5.15). Значение прочности при сжатии в возрасте 28 сут воздуш- но-сухого твердения при введении в рецептуру стабилизированного золя составляет R = 1,45 МПа, а нестабилизированного – 1,54 МПа. При введении добавки Al2(SO4)3 и стабилизированного золя при соотношении И:З=1:1 прочность R=1,68 МПа, т.е. увеличение прочности по сравнению с контрольным образцом составляет 107 %.

Для исследования твердофазовых реакций, происходящих в процессе структурообразования известковых отделочных композиций, были применены качественный рентгеноструктурный и термодинамический анализы возможных реакций.

Для анализа продуктов твердения образцов составов, представленных в табл. 5.15, был проведен рентгенофазовый анализ. На дифрактометре марки Thermo Scientific модели ARL X’TRA были сняты рентгенограммы в интервале брегговских углов 2θ = 4–80º, показанные на рис. 5.10–5.11.

269

Рис. 5.10. Рентгенограмма известкового контрольного состава (без добавок)

270