ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГИПСОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
, ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. »
В настоящее время наблюдается значительный интерес строителей к гипсовым материалам, обладающих известными преимуществами. Однако их применение сдерживается невысокой водостойкостью и сравнительно низкой прочностью.
Один из эффективных способов улучшения свойств - модифицирование гипсовых материалов эмульсиями полимеров. Но закономерности влияния добавок полимеров на основные свойства модифицированных ими систем исследованы недостаточно.
В Магнитогорском государственном техническом университете на протяжении ряда лет ведется работа по изучению влияния эмульсий полимеров на эксплуатационные свойства гипсовых материалов. В работе используется гипс β-модификации различных производителей. Дозировка добавки назначается в процентах от массы гипса в пересчете на сухое вещество.
Выпускаемые промышленностью России бутадиен-стирольные и поливинилацетатные эмульсии, как показали исследования, производят незначительный положительный эффект, увеличивая лишь прочность при изгибе.
Наиболее перспективно использование эмульсий на основе сополимеров акрилатов, версататов, в настоящее время в России не производимых, и имеющих высокую стоимость.
Эмульсии полимеров производят значительный пластифицирующий эффект на гипсовое тесто, что позволяет снизить водогипсовое отношение (В/Г) при сохранении требуемой подвижности. Одновременно при этом наблюдается замедление сроков схватывания гипсового теста. Этот эффект может быть объяснен действием электростатической и пространственной стабилизации. Частицы полимера и эмульгатора, имеющегося в эмульсии, адсорбируются на поверхности гипсовых зерен и сообщают им больший поверхностный заряд, осуществляя тем самым электростатическую стабилизацию. Разветвленная структура молекул полимера обеспечивает так называемый пространственный эффект, благодаря которому затрудняется контакт зерен. Совместное протекание этих двух процессов объясняет значительную пластифицирующую способность эмульсии полимера [1].
При стандартных испытаниях (через 2 часа после затворения) прочностных свойств образцов, изготовленных из теста одинаковой подвижности (расплыв по Суттарду 220 мм) фиксируется снижение прочности при сжатии и изгибе, что обусловлено жидким состоянием полимера. Жидкие полимерные включения не имеют прочности, выступают в роли дефектов структуры и способствуют росту трещин.
После сушки образцов и отверждении полимера наблюдается значительный рост прочности. (Табл.1).
Таблица 1
Влияние стирол-акрилатного полимера на свойства гипса
(марка Г-4, завод «Био-Пласт»)
Содержание полимера, % от массы гипса | В/Г | Плотность, кг/м3. | Предел прочности, МПа (в сухом состоянии) | |
при изгибе | при сжатии | |||
0 | 0,56 | 1260 | 4,6 | 11 |
2,5 | 0,48 | 1360 | 8,3 | 16 |
5 | 0,39 | 1410 | 11,2 | 23,5 |
7,5 | 0,36 | 1420 | 11,7 | 23 |
10 | 0,35 | 1440 | 11,8 | 23 |
Рост прочности обусловлен тем, что кристаллы гипса «склеиваются» полимерными пленками. Эти пленки, обладающие хорошей адгезией к кристаллам двугидрата, имеют прочность при разрыве порядка 5 МПа [2], что значительно превышает прочность при разрыве гипсового камня. При нагрузке эластичные полимерные пленки рассеивают напряжения, сдерживают рост трещин и противодействуют их объединению [3,4].
Микроскопические исследования (рис. 1) показывают изменения структуры при введении добавки полимера. Кристаллы искусственного камня на основе гипса без добавок крупные, тонкие. (Рис. 1.а). Упаковка частиц рыхлая, контакты между кристаллами точечные, сами кристаллы хаотично расположены.
|
|
а) без полимера | б) с полимером |
Рис. 1. Микроструктура гипсового камня
Структура гипсополимерной композиции (рис.1 б) отличается: изменился габитус кристаллов, кристаллы «склеены» полимерными пленками. Упаковка более плотная и упорядоченная. Микроскопические исследования показывают, что введение полимера создает благоприятные условия для формирования гипсовых кристаллов оптимальной структуры.
Полимерная добавка значительно снижает коэффициент теплопроводности гипсового материала (табл. 2).
Таблица 2
Теплопроводность гипсополимерной композиции плотностью 1260 кг/м3 в зависимости от содержания полимера
Содержание полимера, процент от массы гипса | 0 | 2,5 | 5 | 7,5 | 10 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м*0С. | 0,36 | 0,3 | 0,29 | 0,28 | 0,27 |
Снижение теплопроводности гипсополимерного материала обусловлено его мелкокристаллической структурой, низкой теплопроводностью полимера, повышенным тепловым сопротивлением мест контакта аморфных пленок полимера и кристаллов гипса [5]. Необходимо отметить, что больший вклад в снижение теплопроводности вносит усложнение структуры, т. е. появление и аморфных и кристаллических областей, чем увеличение содержания полимера.
Наибольшего внимания заслуживает вопрос влияния полимерной добавки на стойкость гипса к действию воды. По нашему мнению, оценивать стойкость к действию воды гипсовых материалов (которые эксплуатируются в сухих помещениях) с помощью коэффициента размягчения некорректно. Стойкость гипсополимерного материала к действию воды определялась при проведении испытаний образцов одинаковой плотности на попеременное увлажнение и высушивание. Определение коэффициентов стойкости проводилось по ускоренной методике [6]. Было установлено, что коэффициент стойкости гипсовых образцов в условиях попеременного увлажнения – высушивания составляет 0,5, а гипсополимерных - 0,9. Растворимость гипса без добавок составляет 2,3 г/см3, гипсополимерного материала – 1,6 г/см3. Положительное влияние полимера на стойкость гипса к действию воды обусловлено изменениями в структуре гипсополимерной композиции и экранирующим действием полимерных пленок, препятствующим доступу воды к обладающим высокой растворимостью кристаллам гипса. Природа полимера оказывает максимальное влияние на стойкость гипсополимерного материала к действию воды. Наилучшие результаты получены при использовании полимеров на основе водостойких акрилатов.
Проведенные исследования показали, что введение эмульсий полимеров значительно повышает эксплуатационные свойства гипсовых материалов. Модифицированный полимерной эмульсией гипсовый материал обладает высокой стойкостью к действию воды, повышенными теплозащитными свойствами и высокой прочностью. При этом его сорбционная способность снижается лишь незначительно, и он остается негорючим. Высокие эксплуатационные показатели гипсополимерной композиции открывают широкие возможности применения полимерных эмульсий для повышения эксплуатационных свойств гипсовых материалов.
Список литературы:
1.Schwartz S. A. Gypsum dispersing agents// Materials of Global Gypsum Conference-2002.
2.Голунов плиточных клеев редисперсионными полимерными порошками// Строительные материалы. 2004. №3. С.47-49.
3.Thole V. Festigkeit und Hafteigenschaften von polimermodifiziertem Gipsstein. // ZKG International. 1999. №7. Р.400-406.
4., , Химмлер композиционные материалы в строительстве / Под ред. . М.:Стройиздат,19с.
5., Заричняк смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л.: Энергия, 1974, 264 с.
6., Соломатова долговечности композиционных строительных материалов в агрессивных условиях эксплуатации //Деформирование материалов и элементов конструкций в агрессивных средах. Саратов: СПИ, 1983. С.77-83.
