Эффективные цементные штукатурные растворы с полыми стеклянными микросферами (стр. 3 )

Состав раствора, мас. %	Средняя плотность раствора, г/см3, при погружении конуса	Водоудерживающая способность растворов, %
4...8	8...10	10...14	4...8	8...10	10...14
ПЦ-100; ПСМС-10	1,41	1,35	1,05	97	95,15	93
ПЦ-100; ПСМС-30	0,85	0,85	0,95	95,1	93,3	91,5
ПЦ-100; ПСМС-50	0,71	0,71	0,85	92	90,2	90
ПЦ-100; ПСМС-10; СП-1	1,45	1,39	1,1	98	97,5	95
ПЦ-100; ПСМС-30; СП-1	0,81	0,82	0,91	96	95,3	93
ПЦ-100; ПСМС-50, СП-1	0,65	0,67	0,8	93,5	92,7	92

видимо, поверхностные силы микросфер, цементных частиц и новообразований обеспечивают высокую водоудерживающую способность (вплоть до 98 %). Результаты приведены в табл. 6.

Если данные исследований свести к принятой строительными стандартами форме, то цементный штукатурный материал с ПСМС будет характеризоваться показателями, приведенными в табл. 7.

Таблица 7

Свойства штукатурного раствора с полыми стеклянными микросферами

Средняя плотность раствора, кг/м 3	800	900	1000	1100	1200
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м 3	400…500	550…600	750	850	950
Прочность при сжатии, МПа, не менее	1,5	3	9	11	13
Прочность при изгибе, МПа, не менее	0,5	1	3	3,5	4
Морозостойкость, циклы, не менее	15	25	25	35	50
Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м°С	0,07-0,075	0,076-0,08	0,087	0,096	0,115

Благодаря математическому планированию и обработки результатов эксперимента, получены математические модели свойств штукатурного раствора. Уравнения регрессии позволили выявить закономерности влияния расхода полых микросфер и суперпластификатора С-3. Доказано, что существенное влияние на свойства оказывают расходы ПСМС и СП. Было выяснено, что с увеличением расходов наполнителя повышается В/Ц раствора, влажность и водопоглощение камня, снижаются средняя плотность раствора и камня в естественном и высушенном состоянии, а также прочностные показатели. Оптимальным расходом суперпластификатора С-3 является 1 % от массы портландцемента. Удалось оптимизировать составы штукатурных растворов с расходом полых стеклянных микросфер от 10 до 50 % от массы ПЦ.

Уравнения имеют вид:

Для водоцементного отношения: В/Ц = 0,387 + 0,22 Х1 - 0,366 Х2 + 0,346 Х22

Для средней плотности раствора: ρ р = 1,129 – 0,329 Х1 – 0,234 Х2 + 0,296 Х22

Для прочности при изгибе, МПа: Rизг. = 4,93 – 0,164 Х1 - 0,046 Х2 + 0,576 Х22

Для прочности при сжатии, МПа: Rсж. =18,475 -0,737Х1 -2,342Х2 +4,642Х22-0,04Х1Х2

Для влажности, %: wвл. = 18,35 + 1,17 Х1 - 14,99 Х2 + 6,9 Х22 - 0,163 Х1 Х2

Для водопоглощения, %: W =25,26 + 1,05 Х1 - 19,82 Х2 + 12,8 Х22 - 0,113 Х1 Х2

Для средней плотности камня в высушенном состоянии, г/см3:

ρ к. сух. = 0,972 – 0,602 Х1 + 0,083 Х2 + 0,035 Х22

Для плотности камня в естественном состоянии, в возрасте 28 сут. г/см3:

ρ ест. = 0,84 – 0,27 Х1 + 0,434 Х2 - 0,363 Х22

Причем, средняя ошибка аппроксимации была от 2 до 5 %.

Большой диапазон подвижностей и составов цементных штукатурных растворов с ПСМС позволяют выбирать раствор с заданными параметрами исходя из условий применения: для оштукатуривания внутренней или (и) наружной поверхности ограждающей конструкции. Разработанные строительные растворы могут применяться для оштукатуривания стен с целью регулирования термического сопротивления конструкции, паропроницаемости, влажностных и усадочных деформаций, используя различные составы.

Были определены реологические свойства строительных растворов с ПСМС и СП различных подвижностей. Произведено сравнение с кладочным раствором подвижностью 8...10 см. Выяснено, что при одинаковой подвижности раствора прослеживается определенная зависимость: чем ниже процент содержания наполнителя в цементной системе, тем быстрее раствор набирает пластическую прочность и происходит увеличение значений напряжения сдвига. Выяснено, что с ростом количества микросфер для всех видов растворов, сроки схватывания увеличиваются. Это связано с повышением воды затворения. Установлено, что более высокой подвижности раствора соответствует более высокие сроки начала и конца схватывания, что позволяют раствору дольше сохранять рабочее состояние. Произведено сопоставление сроков схватывания и значений пластической прочности, напряжений сдвига во времени (рис. 1-4).

Были определены значения пластической прочности, напряжения сдвига у составов с полыми стеклянными микросферами при разных ПК.

Погружение конуса 4…8 см:

Предельные значения пластической прочности были:

(ПЦ+10 % ПСМС+С МПа в 360 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 360 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 360 мин.

Предельные значения напряжения сдвига были:

(ПЦ+10 % ПСМС+СМПа в 360 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 360 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 360 мин.

Погружение конуса 8…10 см:

Предельные значения пластической прочности были:

(ПЦ+10 % ПСМС+С МПа в 390 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 390 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 390 мин.

Предельные значения напряжения сдвига были:

(ПЦ+10 % ПСМС+СМПа в 390 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 390 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 390 мин.

Погружение конуса 10…14 см:

Предельные значения пластической прочности были:

(ПЦ+10 % ПСМС+СМПа в 420 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 420 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 420 мин.

Предельные значения напряжения сдвига были:

(ПЦ+10 % ПСМС+СМПа в 420 мин.;

(ПЦ+30 % ПСМС+СМПа в 420 мин.;

(ПЦ+50 % ПСМС+СМПа в 420 мин.

Рис. 1. Пластическая прочность составов: ПЦ+10 % ПСМС+С-3;

ПЦ + 30 % ПСМС + С-3; ПЦ+50 % ПСМС+ С-3. Погружение конуса 4...8 см.

Рис. 2. Напряжение сдвига составов: ПЦ+10 % ПСМС+С-3;

ПЦ+30 % ПСМС+С-3; ПЦ+50 % ПСМС+С-3. Погружение конуса 4…8 см.

Рис. 3. Пластическая прочность составов: ПЦ+10 % ПСМС+С-3; ПЦ + 30 % ПСМС + С-3; ПЦ+50 % ПСМС+ С-3. Погружение конуса 10...14 см.

Рис. 4. Напряжение сдвига составов: ПЦ+10 % ПСМС+С-3; ПЦ+30 % ПСМС+С-3; ПЦ+50 % ПСМС+С-3. Погружение конуса 10…14 см.

Была определена сорбционная влажность затвердевшего цементного штукатурного раствора с полыми стеклянными микросферами, анализ которой позволил судить о поровой структуре камня с ПСМС. Количественно оценена гелевая, капиллярная, воздушная пористость цементной матрицы в зависимости от состава и погружения конуса. Самая высокая гелевая пористость, самые низкие капиллярная и воздушная пористость определены у камня при погружении конуса 4…8 см. С увеличением погружения конуса и при повышении расхода микросфер гелевая пористость снижается, а капиллярная и воздушная - возрастает. Причем, гелевая пористость максимальна при расходе ПСМС 10 % от массы ПЦ и равна 94 % от всей пористости цементной матрицы. Установлено, что самая низкая гелевая пористость при расходе микросфер 50 % и погружении конуса 10…14 см. Это связано, видимо, с количеством воды затворения. Все механические свойства у затвердевшего раствора с ПК = 4…8 см выше, чем у остальных растворов с ПСМС. Данные исследований после компьютерной обработки позволили получить графики дифференциального и интегрального распределения пор по диаметрам при P/Ps>0,97…0,98 или 97...98 % относительной влажности. Результаты приведены на рис. 5, 6, 7, 8 и в табл. 8, 9, 10.

Рис. 5. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 10 % ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 10…14 см.

Была определена общая пористость затвердевшего раствора (с учетом внутреннего объема полых стеклянных микросфер). Она повышается по мере роста ПК и расхода ПСМС. Самая низкая общая пористость наблюдалась у состава с 10 % микросфер и 1 % СП при ПК = 4…8 см. Она составляет 28,5 % при пористости матрицы 9,6 %. Самая большая общая пористость у состава с 50 % ПСМС и 1 % СП (ПК = 10…14 см). Она равна 88,1 % при пористости матрицы – 46 %.

 

Рис. 8. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 50 % ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 10…14 см.

 

Рис. 6. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 10 % ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 4…8 см.

Определено, что самую низкую общую пористость имеет состав с 10 % микросфер, а самую высокую – с 50 % ПСМС. Общая пористость у последнего состава достигает 88,1 %, что с учетом прочностных данных говорит о высокой эффективности таких растворов. Причем, пористость матрицы составляет от 1/3 до половины общей пористости у растворов с 10 % и 50 % полых стеклянных микросфер соответственно.

 

Рис. 7. Дифференциальное и интегральное распределение пор по диаметрам цементной матрицы с 50 % ПСМС и СП С-3 в зависимости от относительной влажности водяного пара (воздуха). Погружение конуса 4…8 см.

Были определены коэффициенты паропроницаемости и сопротивление паропроницанию штукатурных растворов с ПСМС и СП с разной подвижностью. Результаты приведены в табл. 10.

Таблица 8

Пористость цементной матрицы с микросферами при различном ПК

Состав, мас. %	Пористость затвердевшего раствора, %, при погружении конуса
4 … 8 см	8 … 10 см	10 … 14 см
гелевая	капил-лярная	воздушная	гелевая	капил-лярная	воздушная	гелевая	капил-лярная	воздушная
100 Ц; 10 ПСМС; 1 СП	94	5,2	0,8	90	9	1	78,1	19,9	2
100 Ц; 30 ПСМС; 1 СП	87,4	10,6	2	76,4	21,2	2,4	68,9	28	3,1
100Ц; 50 ПСМС; 1 СП	80,6	15,3	4,1	70	25	5	62	31	7

Установлено, что коэффициент паропроницаемости снижается по мере уменьшения подвижности раствора с 10…14 см до 4…8 см. Это снижение составляет 38…38,2 %. Рост сопротивления паропроницанию в этих условия находится в пределах от 20,1 до 28,2 %. Следовательно, при таком паропроницании потери тепла через наружные стены и усадка при высыхании будут существенно ниже.

Таблица 9

Общая пористость цементного камня с ПСМС при различном ПК

Состав, мас. %	Пористость затвердевшего раствора, %, при погружении конуса
4 … 8 см	8 … 10 см	10 … 14 см
матрицы	ПСМС	общая	матрицы	ПСМС	общая	матрицы	ПСМС	общая
100 Ц; 10 ПСМС; 1 СП	9,6	18,9	28,5	11	21,8	32,8	12,6	25,1	37,7
100 Ц; 30 ПСМС; 1 СП	25,5	27,2	52,7	29	31,8	60,8	33,3	36,5	69,8
100Ц; 50 ПСМС; 1 СП	36,5	31,8	67,3	42	36,3	78,3	46	42,1	88,1

Таблица 10

Коэффициент паропроницания строительного раствора с ПСМС и СП

Состав, мас. %	Погружение конуса
4...8 см	8...10 см	10...14 см
Коэффициент паропроницания, мг/м .ч. Па	Сопротивление паропроницанию, м2 .ч. Па/мг	Коэффициент паропроницания, мг/м .ч. Па	Сопротивление паропроницанию, м2 .ч. Па/мг	Коэффициент паропроницания, мг/м .ч. Па	Сопротивление паропроницанию, м2 .ч. Па/мг
100 Ц; 10 ПСМС;1 СП	0,0063	1,196	0,0076	1,015	0,0087	0,915
100 Ц; 30 ПСМС;1 СП	0,0254	0,35	0,0305	0,328	0,0351	0,273
100Ц; 50 ПСМС;1 СП	0,0415	0,231	0,0498	0,2	0,0573	0,187

Была выполнена проверка влагоудаления из конструкции стен – условие влагоудаления выполнялось. Выбор состава и подвижности растворов с ПСМС зависел от назначения помещения и его влажностного режима для обеспечения нормального паропереноса и удаления влаги из стены. На основании научных исследований были разработаны технические условия «ТУ . Штукатурный раствор с полыми стеклянными микросферами» и «Технологический регламент на приготовление и применение штукатурного раствора с полыми стеклянными микросферами», Москва, 2005 г. Экономический эффект от внедрения штукатурного раствора с полыми стеклянными микросферами составил 76 тысяч 779 рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.  Обосновано получение облегченных низкотеплопроводных цементных штукатурных растворов для ограждающих конструкций путем применения в качестве заполнителя полых стеклянных микросфер и суперпластификатора, улучшающих пластическо-вязкие свойства раствора, снижающих общую пористость и средний диаметр пор, а также формирующих более качественную контактную зону между цементной матрицей и микросферами за счет образования низкоосновных гидросиликатов кальция.

2.  Получены и оптимизированы составы эффективных цементных штукатурных растворов с полыми стеклянными микросферами, отличающиеся пониженной плотностью (до 0,8 г/см3), водопотребностью и повышенным сопротивлением паропроницанию по сравнению с традиционными штукатурными растворами. Разработанные растворы могут применяться для оштукатуривания стен с целью регулирования термического сопротивления конструкции, паропроницаемости, влажностных и усадочных деформаций, используя различные составы. Это позволяет выбирать раствор с заданными параметрами исходя из условий применения.

3.  На основании научных исследований были разработаны и введены в действие: «Технологический регламент на приготовление и применение штукатурного раствора с полыми стеклянными микросферами», Москва, 2005 г., «Штукатурный раствор с полыми стеклянными микросферами», «ТУ , Технические условия», Москва, 2005 г.

4.  Установлены графо-аналитические зависимости реологических свойств. Растворы с ПСМС имеют стабильную структуру в течение 4 часов после перемешивания. Произведено сравнение однородности строительных растворов с различной подвижностью, которая оценивалась по погружению конуса: 4...8 см; 8...10 см; 10...14 см. С увеличением расхода микросфер от 10 до 50 % плотность раствора по высоте образца увеличивается с 0,5 % до 4,4 % соответственно. Растворы с суперпластификатором увеличивают среднюю плотность по высоте образца в среднем на 2,9 %. При снижении ПК раствора с 10…14 см до 4…8 см, раствор становился более стабильным за счет снижения концентрации воды. Менее подвижные растворы обладают повышенной стабильностью.

5.  Установлено, что паропроницаемость у растворов с ПСМС и СП снижается на 38…38,2 % при уменьшении подвижности раствора с 10…14 до 4… 8 см, а рост сопротивления паропроницанию находится в пределах 20,1 до 28,2 %.

6.  Подтверждено экспериментально, что с увеличением расходов ПСМС повышается В/Ц, влажность и водопоглощение затвердевшего раствора, снижаются средняя плотность раствора и затвердевшего камня в естественном и высушенном состоянии, а также прочностные показатели. Оптимальным расходом СП С-3 является 1 % от массы портландцемента. Оптимизированы составы цементных штукатурных растворов с ПСМС.

7.  Получены математические модели свойств штукатурного раствора и камня – уравнения регрессии физико-механических и реологических свойств штукатурных растворов в зависимости от количества микросфер и суперпластификатора, которые необходимы для оптимизации состава композиции.

8.  Установлено, что цементные растворы с ПСМС имеют водоудерживающую способность более 90 % , достигающую значение 98 %. При увеличении погружения конуса от 4...8 до 8...10 и 10...14 см водоудерживающая способность растворов уменьшается за счет повышения содержания воды в растворе и снижения поверхностной активности микросфер.

9.  Определено, что при одинаковой подвижности раствора прочность сцепления с основаниями уменьшается по мере увеличения расхода микросфер. При снижении подвижности раствора, прочность сцепления штукатурных растворов с ПСМС с различными основаниями увеличивается. Установленные значения прочности сцепления растворов с основаниями соответствуют требованиям нормативов по прочности сцепления при наружной и при внутренней отделке.

10.  Установлено влияние содержания полых стеклянных микросфер в цементной системе на набор прочности и сроки схватывания: чем ниже содержание наполнителя в цементной системе, тем быстрее раствор набирает пластическую прочность и происходит увеличение значений напряжения сдвига. Более того, с ростом количества микросфер для всех видов растворов, сроки схватывания увеличиваются за счет повышения воды затворения. Определено, что более высокой подвижности раствора соответствует более высокие сроки начала и конца схватывания.

11.  Определено, что гелевая пористость максимальна при расходе ПСМС 10 % от массы ПЦ и равна 94 % от пористости цементной матрицы, а при расходе микросфер 50 % и ПК 10…14 см гелевая пористость снижается до 80,6 % за счет более высокого водозатворения. При этом все механические свойства у затвердевшего раствора с ПК 4…8 см выше, чем у более подвижных растворов с ПСМС.

12.  Установлено, что общая пористость затвердевшего раствора повышается по мере роста ПК и расхода ПСМС: при 10 % микросфер ПК = 4…8 см она составляет 28,5 % при пористости матрицы, равной 9,6 %, при общей пористости у состава с 50 % ПСМС с ПК = 10…14 см – 88,1 % при пористости матрицы – 46 %. Определено, что самую низкую общую пористость имеет состав с 10 % ПСМС. определено, что пористость матрицы составляет от 1/3 до половины общей пористости у растворов с 10 % и 50 % полых стеклянных микросфер соответственно.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Пашкевич строительные смеси для систем наружной теплоизоляции фасадов / В сб. международной научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности. – М.: МГСУ, 2007. – С. 441 – 443.

2. , , Орешкин стеклянные микросферы и формирование цементных систем / В сб. докл. межд. научно-техн. конф. «Строительная физика в ХХI веке». – М.: НИИСФ, 2006. – С. 134 – 139.

3. Пашкевич строительные смеси как перспективный строительный материал / В сб. международной научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности. – М.: МГСУ, 2006. – С. 441 – 443.

4. , , Орешкин

кладочный раствор / В сб. докл. межд. научно-техн. конф. «Строительная физика в ХХI веке». – М.: НИИСФ, 2006. – С. 151 – 154.

5. , , Орешкин цементных материалов // Вестник ВолГАСУ. Серия «Архитектура и строительство». – Волгоград: ВолГАСУ, 2007, № 7. – С. 141 – 143.

6. , Орешкин смеси с полыми стеклянными микросферами для получения штукатурных растворов // Сухие строительные смеси, 2007. - № 2. – С.

7. , , Первушин структуры цементных систем с полыми стеклянными микросферами / Сб. докл. VIII науч.-техн. конф. – Ухта: УГТУ – 2007. – С. 276 – 279.

8. , , Ляпидевская строительные смеси с полыми микросферами / В сб. V межд. конф. «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. - Волгоград:

ВолГАСУ, 2009. – С. 207 – 211.

9. Пашкевич штукатурки - в... микросферах / Строительный эксперт, 2009. – №  3 (286). – С. 11.