ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

Шаповалова Оксана вікторівна

УДК 666. 914.5:663.543:002.68

Сухі гіпсові суміші з комплексними добавками

на основі вторинних продуктів цукрової та газової промисловості

05.23.05 - будівельні матеріали та вироби

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступенякандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Дерев’янко віктор Миколайович

Придніпровська державна академія будівництва та

архітектури Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри технології будівельних

матеріалів, виробів та конструкцій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Савін Лев Сергійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри екології та охорони навколишнього середовища;

- кандидат технічних наук, доцент Краснюк Андрій Віталійович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України, начальник науково-дослідного відділу.

Провідна установа 

Київський національний університет будівництва і архітектури, Державний науково-дослідний інститут в’яжучих речовин і матеріалів імені В.Д. Глуховського Міністерства освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться "5" жовтня 2006 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий " 1" вересня 2006 року.

Вчений секретарспеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Перевага використання сухих будівельних сумішей, як матеріалу повної заводської готовності, підтверджена закордонною та вітчизняною практикою будівництва. Одним з найбільш важливих факторів, впливаючих на недостатньо широке використання сухих будівельних сумішей на основі гіпсу, є регулювання терміну тужавлення в’яжучого або часу придатності суміші. швидке тужавлення напівводного гіпсу є в більшості випадків позитивною його властивістю, але при використанні гіпсових штукатурних розчинів, шпатлівок швидке тужавлення небажане.

Для регулювання часу придатності в гіпсові суміші вводять різні добавки. Аналіз показує, що в Україні недостатньо розвинено виробництво сухих будівельних сумішей на основі гіпсу із застосуванням добавок вітчизняного виробництва, внаслідок чого доводиться використовувати імпортні, досить дорогі, що не дозволяє зробити вітчизняну продукцію конкурентоспроможною. Тому питання дослідження та розробки нових сухих будівельних сумішей на основі добавок вітчизняного виробництва є актуальною темою.

Актуальність роботи полягає також в тому, що для виготовлення сухих гіпсових сумішей розроблено добавки на основі відходів виробництва, що забезпечує, крім економічного, й екологічний ефект при одночасному розширенні сировинної бази.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з науково-дослідною роботою кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури "Розробка нових ефективних матеріалів та виробів на основі вторинних продуктів різних галузей народного господарства", реєстраційний номер 010  U 2004 –  рр. та "Розробка енергозберігаючих технологій будівельних матеріалів та виробів на основі вторинних матеріальних ресурсів", реєстраційний номер 0106 U 002023 – 2006 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка сухих будівельних сумішей на основі гіпсу і збільшення часу їх придатності за рахунок введення комплексних добавок на основі вторинних продуктів цукрової та газової промисловості.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати можливості та встановити механізм одержання сухої добавки на основі вторинних продуктів цукрової та газової промисловості для збільшення часу тужавлення сухих гіпсових сумішей;

- уточнити хімізм впливу добавки і її компонентів на процеси гідратації та фізико-механічні властивості напівводного гіпсу;

- розробити технологію та визначити оптимальні параметри технологічного процесу одержання сухої добавки на основі вторинних продуктів;

- провести модифікацію сухої добавки для розширення її функціональних можливостей;

- визначити оптимальні склади компонентів сухих шпатлівочних сумішей і штукатурних розчинів на основі гіпсу будівельного із застосуванням отриманої добавки;

- провести дослідно  промислову перевірку оптимальних складів розроблених сухих будівельних сумішей і визначити техніко - економічну ефективність їхнього застосування.

Об'єкт дослідження – процеси гідратації будівельного гіпсу, твердіння та структуроутворення розчинів на його основі.

Предмет дослідження – сухі гіпсові суміші з комплексними добавками, розробленими на основі меляси та карбідного мулу, вторинних продуктів цукрової та газової промисловості.

Методи дослідження. у роботі використані стандартні методи дослідження для визначення фізико – механічних властивостей гіпсових в'яжучих згідно з ДСТУ Б В.2.7-82-99, ДСТУ Б В.2.7-23-95.

Визначення властивостей розроблених штукатурних і шпатлівочних сумішей для підготовки поверхонь проводилося відповідно до стандартних методик, як на стадії розчинних сумішей, так і на стадії затверділого каменю, згідно з ДБН В.2.6   , ГОСТ 5802-86, ГОСТ 28575-90, ГОСТ 24992-81. Дослідження фазового складу матеріалів, мікро- та макроструктури проводились методами рентгенофазового аналізу, електронної і світлової мікроскопії.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість отримання сухої добавки уповільнювача тужавлення гіпсу на основі меляси шляхом модифікування карбідним мулом за рахунок утворення водорозчинних солей на поверхні меляси в результаті реакції між її кислотними та спиртовими групами та гідроксидом кальцію карбідного мулу, а також за рахунок створення плівки з гідроксиду кальцію;

- розширено теоретичні уявлення процесу гідратації напівводного гіпсу в присутності одержаної добавки, солі та плівка поверхні якої, розчиняючись у воді, відновлюють функціональні властивості меляси, за рахунок чого зменшується концентрація іонів кальцію та формується плівка на кристалах напівгідрату гіпсу, що зумовлює зниження швидкості утворення насиченого розчину, утворення двогідрату і відповідно збільшення терміну тужавлення;

- розроблено основні положення технології виробництва добавки-уповільнювача тужавлення на основі меляси та карбідного мулу;

- на основі методу планування експериментів та експериментальних досліджень розроблено комплексну добавку з підвищеними функціональними властивостями (за рахунок використання суперпластифікатора, розріджувача, відбілювача та піногасника вітчизняного виробництва), що дозволяє підвищити пластичність, міцнісні характеристики сухих будівельних сумішей на основі гіпсу;

- за допомогою обчислювальних експериментів визначено область раціональних складів сухих будівельних сумішей із розробленою комплексною добавкою для високоякісних шпатлівок та штукатурок на основі будівельного гіпсу.

Практичне значення одержаних результатів:

- визначено склад комплексної добавки  уповільнювача тужавлення будівельного гіпсу на основі меляси, карбідного мулу, пластифікатора, відбілювача, розріджувача і піногасника;

- розроблено рецептури сухих гіпсових сумішей на основі будівельного гіпсу з розробленою комплексною добавкою для виконання шпатлівочних і штукатурних робіт;

- запропоновано технологію виробництва (Деклараційний патент UA  А  С04У26/26. Спосіб виготовлення редисперсійних порошків), що відрізняється порівняною простотою та не потребує спеціального технологічного устаткування;

- результати дисертаційних досліджень використані при виробництві експериментально-промислової партії гіпсових шпатлівок, економічний ефект від їхнього застосування у виробництві становить 0,1 грн/кг, а вартість у порівнянні із сухими будівельними сумішами на основі імпортних добавок нижче в 1,5 – 3 рази.

Особистий внесок здобувача полягає у вивченні стану проблеми виробництва добавок для сухих будівельних сумішей, теоретичному обґрунтуванні, експериментальних дослідженнях механізму одержання сухих добавок на основі вторинних продуктів, вивченні процесів гідратації будівельного гіпсу в присутності розроблених добавок, розробці складів і вивченні властивостей сухих гіпсових сумішей, експериментально-промисловій перевірці результатів дослідження.

Особистий внесок здобувача в науковій праці:

-

-

-

-

-

-

-

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях "Будівництво, матеріалознавство, машинобудування" м. Дніпропетровськ, 2002-2004 рр.; Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів і аспірантів “Хімія і хімічна технологія – 2002” м. Дніпропетровськ, 2002 р.; I Міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів “Хімія і сучасні технології” м. Дніпропетровськ, 2003 р.; “Наука і техніка: перспективи ХХІ століття” міжвузівській науково – практичній конференції молодих вчених м. Дніпропетровськ, 2004 р.; IV Науково-практичному семінарі “Структура, властивості та склад бетону” м. Рівне, 2004 р.; ІI Міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів “Хімія і сучасні технології” м. Дніпропетровськ, 2005 р.; I Міжнародному науково – практичному семінарі “Теорія і практика виробництва і використання ніздрюватого бетону в будівництві” м. Дніпропетровськ, 2003 р.; на розширених засіданнях кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій і на наукових семінарах для викладачів, співробітників, аспірантів і студентів ПдАбА, 2003-2006 рр.

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 14 друкованих працях: 5 із яких у збірниках і журналах, рекомендованих ВАК України, 7 – у матеріалах доповідей, конференцій і міжнародних семінарів, 2 – у бюлетені відкриттів і винаходів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатка. Загальний обсяг становить 127 сторінок. Крім основного тексту, викладеного на 120 сторінках, дисертація містить 27 рисунків, 21 таблицю, список літературних джерел з 140 найменувань і два додатки на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету роботи, наукові задачі, основні положення, що лягли в основу даних досліджень, показано наукову новизну роботи, визначено науково-практичну цінність результатів, особистий внесок здобувача.

перший розділ присвячено вивченню та аналізу сучасного стану проблеми виробництва сухих будівельних сумішей як матеріалу повного заводського виготовлення. Аналіз основних властивостей сухих будівельних сумішей та особливостей їх використання за призначенням та способом виробництва показав, що одним із ефективних оздоблювальних матеріалів є гіпс, завдяки його специфічним властивостям.

Одним із найбільш важливих факторів, що впливає на конкурентоспроможність при використанні сухих будівельних сумішей на основі гіпсу є регулювання часу придатності, тобто збільшення часу життєздатності суміші. Для цього до їх складу вводять різні добавки природного та штучного походження. Це добавки – пластифікатори, добавки – регулятори часу тужавлення в’яжучого, водоутримуючі добавки та ін. Вибір їх обумовлюється поширеністю в промисловості, ефективністю, вартістю.

В Україні питанню розробки добавок, на жаль, приділяється не зовсім достатньо уваги на державному рівні. І хоча оптимізації, розробці складів та виробництву сухих будівельних сумішей із вітчизняної сировини присвячено досить значна кількість робіт О.В. Ушерова  Маршака, Р.Ф. Рунової, П.В. Кривенко, Е.К. Карапузова, В.А. вознесенського, Л.Й. Дворкіна, В.С. Коваля, М.А. Саницького, В.І. Бабушкіна, учених країн СНД Е.А. Урецької, В.В. Козлова, В.А. Демідаса, В.А. Сапожнікова та ін., все ж питання розробки вітчизняних добавок є досить гострим.

Серед вищих учбових закладів та спеціалізованих організацій, які проводять дослідження в даному напрямку слід відзначити: київський національний університет будівництва і архітектури, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Національний університет “Львівська політехніка”, Одеську та Дніпропетровську державні академії будівництва та архітектури, Національний університет водного господарства і природовикористання (м. Рівне), ОАТ “Будіндустрія” (м. Запоріжжя), компанія “Хенкель Баутехнік (Україна)” (м. Вишгород), НВМ “Мистим” (м. Рівне), “Композит” (м. Чернівці) та ще декілька інших.

Питанням розробки сухих гіпсових сумішей та комплексних добавок для регулювання їх властивостей цілеспрямовано практично не займається жодна з установ.

Незначна кількість існуючих добавок для регулювання властивостей гіпсових в’яжучих та композицій є добавками однофункціональної дії і не можуть конкурувати з імпортними добавками поліфункціональної дії. А використання останніх спричиняє підвищення загальної ціни на сухі суміші, що відповідно веде до зниження конкурентоспроможності.

Таким чином, розглядаючи проблеми розробки добавок для сухих гіпсових сумішей, необхідно мати на увазі створення добавок, що регулюють комплекс властивостей. Для цього потрібно уточнити хімізм впливу добавок і їх компонентів на процеси гідратації гіпсових в’яжучих та фізико-механічні властивості композицій на їх основі.

У розділі детально розглянуто проблеми модифікації сухих будівельних сумішей шляхом введення до їх складу сухих сумішей ефірів целюлози та полімерних дисперсних порошків, синтетичних латексів, каучуків, водорозчинних олігомерів та полімерів.

На основі аналізу літератури та наукових досліджень була запропонована робоча гіпотеза з розробки сухих гіпсових сумішей на основі добавок вторинних продуктів промисловості (меляси), для зберігання якої в сухому стані використати водорозчинний агент, вторинний продукт газової промисловості – карбідний мул.

Загальне завдання досліджень обумовлено необхідністю широкого розгляду найважливіших питань теорії і практики застосування сухих гіпсових сумішей у будівництві і передбачає розробку їх оптимальних складів на основі комплексних добавок.

У другому розділі наведено основні характеристики сировини та методи досліджень.

У роботі використовувалися такі матеріали:

- напівводний гіпс Івано-Франківського цементно-шиферного комбінату. Технічні властивості визначались відповідно до вимог ДСТУ БВ.27-82-99 і ГОСТ ;

- крейда природна технічна. Виготовлювач: ВАТ Слов'янський крейдовий завод (ТУ УВ.2.21-159-98);

- як дрібний заповнювач у дослідженнях застосовували дніпровський річковий пісок, що задовольняє ДСТУ Б В.2.7.-32  і належить до групи “дуже дрібних”;

- кормова патока (меляса) – добавка - уповільнювач тужавлення (ТУ  РСФСР 409), інакше її називають кормовою або чорною патокою, в’язка речовина темно  коричньового кольору, є вторинним продуктом цукробурякового виробництва. Основна причина утворення меляси – неможливість повного видалення води при уварюванні утфелей і кристалізації сахарози. сухі речовини становлять 80% складу меляси, із них 48% - сахарози, 32% нецукрів;

- карбідний мул – вторинний продукт при виробництві ацетилену карбідним способом, за якістю вапно другого сорту, синюватого відтінку, із вмістом 40 – 45 % води, забруднене карбідом кальцію, що не розклався. Сировиною для одержання ацетилену служить карбід кальцію (ДСТ 1460-56).

для модифікації розробленої добавки використовували: суперпластифікатор С-3 (ТУ 6 –  –  – ); піногасник СИЛІПУРТМ RE 2971 (SILIPUR® RE ); пральний порошок TEST (ТУ У 3090142018.001 – ); відбілювач “Парус” (ту у 6 – 00209651.200 – ).

фазовий склад вихідних речовин та продуктів твердіння систем визначали із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу дифрактометра рентгенівського загального призначення ДРОН    , оптичного мікроскопа “Неофот” (Німеччина), скануючого електронного мікроскопа CAМЕСА (Франція).

Планування експериментів проводилось за допомогою симплекс - решітчатого методу та ПФе  n. Експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей композицій виконували за стандартними та загальновідомими методиками.

У третьому розділі розглянуто питання про вплив вторинних продуктів цукрової та газової промисловості на процеси гідратації напівводного гіпсу, створення сухої добавки на їх основі, розробку технології виробництва та модифікації розробленої добавки.

З метою визначення найбільш ефективного впливу вторинних продуктів (меляси й карбідного мулу) було окремо досліджено вплив цих речовин на властивості напівводного гіпсу.

Згідно з результатами досліджень, встановлено, що введення меляси збільшує термін тужавлення гіпсового в’яжучого приблизно в 1,5 – 2 рази (рис. ), в кількості до 0,3 % водогіпсове відношення теж знижується на 3,5 %, при цьому має місце незначне зниження міцності. час тужавлення суміші із збільшенням вмісту меляси до 1% збільшується (рис. 1), але максимальна життєздатність суміші є недостатньою для її використання на виробництві.

Рис. 1. Вплив добавок на термін тужавлення будівельного гіпсу:

а) меляси; б) карбідного мулу

Добавка карбідного мулу в кількості до 0,3 – 0,4 % в будівельний гіпс приводить до зниження водогіпсового відношення (В/Г), часу тужавлення. Подальше збільшення кількості карбідного мулу до 0,8 – 1,0% підвищує (В/Г) відношення на 1,5 – 2%, при цьому початок тужавлення відповідає властивостям напівводного гіпсу без добавки, а кінець тужавлення скорочується з 25 хв до 18 –  хв.

В роботі також були проведені калориметричні дослідження тепловиділення при гідратації напівводного гіпсу та зміни величини рН розчину з добавками меляси та карбідного мулу. Вони показали, що температурний пік досягається (тепловиділення при гідратації напівводного гіпсу) через 35 – 37 хв після додавання води. Період підйому температури приблизно дорівнює різниці в часі між початком і кінцем тужавлення. Час зниження температури починається приблизно через 1,5 год, що пов'язано із закінченням процесу гідратації напівводного гіпсу.

Величина рн розчинів з добавкою меляси становить 7,2 – 7,4, а початок тужавлення починається також при рн ,6 – 6,8, але час збільшується приблизно в два рази, за рахунок утворення водорозчинних солей на зернах в’яжучого.

при введенні карбідного мулу реологічні властивості напівводного гіпсу практично не змінюються, це підтверджують проведені калориметричні дослідження тепловиділення при гідратації напівводного гіпсу та дослідження зміни рн розчину гіпсу.

Дослідження сумісного впливу меляси і карбідного мулу у вихідному стані показали більшу ефективність їх дії на терміни тужавлення (рис. 2).

Рис. 2. сумісний вплив меляси й карбідного мулу на терміни тужавлення напівводного гіпсу

введення добавки вмістом, до 1% за масою, дозволяє збільшити час початку тужавлення до 45 –  хв, що є цілком сприятливим для забезпечення часу придатності гіпсової суміші.

Як вказувалося вище, до складу меляси входить сахароза, яка є дисахаридом, і її гідроліз можливий тільки у випадку кислотного або ферментативного каталізу:

С12Н22О11 + Н2О > С6Н12О6 + С6Н12О6 (1)

глюкоза фруктоза

Вуглеводи можуть існувати у вигляді ланцюгової чи циклічної форми. Ці дві форми є таутомерними і здатні переходити одна в одну).

(2)

Перша містить вільну альдегідну або кетонну групу. Друга форма таких груп не має, найбільш реакційноздатними в цій формі є групи ОН.

До складу цукрів входять також органічні нецукри (22,25%), що містять як ацильну, так і кислотну групу – ОН. Найбільш імовірна взаємодія по групі - ОН з утворенням солей. Будова азотовмісних органічних нецукрів також спричиняє їхню реакційну здатність по групі – ОН, а молекули амінокислот мають дві протилежні за характером групи: кисла карбоксильна й основна аміногрупа. Це створює можливість утворення внутрішніх солей – бетаїнів. Неорганічні нецукри також можуть вступати у реакцію з водою.

Таким чином, згідно з хімічною будовою речовин, що входять до складу меляси, можна зробити висновок, що в умовах, при яких використовується дана добавка, найбільш реакційноздатними є групи: (кислотна) і - ОН (спиртова). Взаємодіючи з іоном кальцію, утворюються солі цих речовин, які осідаючи на зернах в'яжучого, гальмують гідратацію.

Вуглеводи утворюють комплексні сполуки за участю Са2+ іонів. Можливе також утворення комплексів, що включають іони Са2+ з гідроксил - іонами добавок. В результаті утворюються хелатні комплекси між цукрами і Са2+, які в розчині знижують концентрацію Са2+ іонів у рідкій фазі, завдяки чому також забезпечується ефект уповільнення.

Для вирішення проблеми одержання меляси в сухому стані був використаний принцип одержання редисперсійних порошків. Розроблено спосіб одержання добавки (Деклараційний патент UA  А  С04У26/26. Спосіб виготовлення редисперсійних порошків) (рис. 3).

Згідно з даною технологією, меляса та карбідний мул (водорозчинний агент) у природному стані дозуються і змішуються в диспергаторі. Потім суміш (меляса – 50-60%, решта карбідного мулу) направляється на сушіння і подрібнення до залишку на решеті 008 не більше 5%. Час перемішування становить 2 – хв, залежно від вологості компонентів. Максимальна температура сушіння 90ос – визначена на основі результатів досліджень.

Рис. 3. Технологічна схема одержання сухої добавки

хімізм одержання сухого порошку полягав в тому, що, при сушінні меляси з карбідним мулом, на поверхні часток меляси утворюються водорозчинні солі (3) і плівка, які перешкоджають адсорбції вологи (рис 4. б), тоді як при сушінні тільки меляси утворюється високопориста структура з гідрофільною поверхнею (рис. 4. а) що пояснює перехід порошку в пастоподібний стан.

(3)

Рис. 4. Мікрофотографії: а) частинки порошку меляси;

б) частинки порошку (меляси + карбідний мул)

У такий спосіб сухий порошок може зберігатися в продовж 9 – 12 місяців. Наявність кристалів водорозчинних солей підтверджує рентгеноструктурний аналіз порошку добавки (рис. 5).

Рис. 5. Рентгенівські дифрактограми: а) карбідного мулу;

б) добавки 60:40 (меляса + карбідний мул)

Механізм дії порошку добавки (меляса + карбідний мул) на процес гідратації напівводного гіпсу можна представити у вигляді такої схеми: при взаємодії з водою частки сухої суміші, покриті плівкою, змочуються водою і починається процес розчинення водорозчинних солей і гідроксиду кальцію, в подальшому часток меляси, час розчинення становить 90 –  с. за рахунок цього підвищується лужність середовища до рн = 11 – 11,2, і на поверхні напівгідрату формується плівка з меляси, внаслідок чого знижується швидкість розчинення і утворення двогідрату.

а)

б)

Рис. 6. Зміна температури (а) і рН розчину (б) при гідратації напівводного гіпсу в присутності різних добавок

Тепловиділення при гідратації будівельного гіпсу з добавкою значно відрізняється від тепловиділення напівводного гіпсу з добавкою меляси і напівводного гіпсу з карбідним мулом (рис. 6. а).

Температурний пік термодинамічного процесу гідратації будівельного гіпсу з добавкою на 5 – 70С нижче, ніж чистого гіпсу, що пов'язано з повільнішою швидкістю процесу гідратації. період розігріву суміші становить понад 1 год, тоді як будівельного гіпсу – 20 – 25 хв. Це вказує на зменшення розчинності напівгідрату і збільшення часу утворення насиченого розчину.

Зниження величини рн розчину (рис. 6. б) до рН = 6,8 після проміжку часу, відповідного розчиненню напівгідрату, є наслідком насичення розчину. Реакція утворення двоводного гіпсу інтенсифікується, на що вказує підвищення температури (рис. . а). Аналогічно відбувається і при введенні добавки, але за рахунок того, що меляса гальмує процес розчинення, а карбідний мул підвищує лужність до рн = 11, інтенсивність реакції гідратації настає приблизно в межах 1 год (рис. 6. а), що підтверджується спадом рн розчину (рис. 6. б). Тобто можна відзначити, що інтенсивність реакції гідратації настає при зниженні рн розчину нижче 7. Це підтверджує ефективність сумісної дії меляси й карбідного мулу на властивості гіпсового в'яжучого.

При дослідженні структури, реологічних і механічних властивостей було встановлено деякі недоліки впливу сухої добавки на якість затверділого гіпсового розчину – це водовідділення і зниження міцності за рахунок підвищення пористості.

З метою усунення зазначених недоліків у роботі була проведена модифікація добавки із застосуванням крокового симплекс  решітчатого методу планування експерименту. метод полягав у поступовому введенні компонентів цільового призначення. Так, у першому випадку вводили пластифікатор, в другому - розчинник і відбілювач, на третьому етапі - піногасник.

шляхом дослідження встановлено оптимальне співвідношення всіх компонентів, а також оптимальну кількість комплексної добавки, що перебуває в межах 0,6 – 0,85% від маси напівводного гіпсу.

У четвертому розділі наведено результати досліджень впливу розробленої добавки на структуру й властивості гіпсових в’яжучих і композицій та дослідження з розробки сухих шпатлівочних і штукатурних сумішей на основі будівельного гіпсу.

При вивченні структури чистого гіпсового каменю було встановлено, що голчасті кристали двогідрату в основному мають розмір 10 – 15 мкм, і утворюють блоки, які зростаються в подвійному положенні. Орієнтація і розмір кристалів обмежуються розмірами блоків. Формування структури в камені – результат чинності закону геометричного відбору зростаючих кристалів. Поверхня зародків двогідрату визначає напрямок їхнього росту. Визначальним для міцності є виникнення просторової структури, тобто зрощення окремих кристалів у суцільний каркас. Отримані мікрофотографії поверхні відколу гіпсової виливки (рис. 7. б) засвідчують рівномірний розподіл кристалів і блоків.

При введенні не модифікованої добавки збільшується термін тужавлення до 1 год і більше, але міцнісні властивості при цьому знижуються на 10 – 40%. Це пояснюється швидкістю розчинення напівгідрату й утворенням пересиченого розчину, а відповідно і утворенням кількості центрів кристалізації. Виниклі зародки і їхній ріст проходить при дуже малому перенасиченні, внаслідок чого утворюються більші кристали (рис. . а). Поверхні відколу гіпсової виливки з добавкою являють собою блоки різної форми й розмірів (рис. 8. б)

Рис. 7. Електронна мікрофотографія структури гіпсу без добавки

Рис. 8. Електронна мікрофотографія структури гіпсу з добавкою

Зниження міцності двогідрату пов'язано зі зміною умов зрощення кристалів і виникненням просторової структури твердіння. Крім того, зроблені мікрознімки поверхні за допомогою світлової мікроскопії (рис. 9. а) засвідчує наявність значної кількості пор, що також сприяють зниженню міцнісних показників.

Модифікована добавка змінює умови гiдратацiї. По-перше, за рахунок введення розріджувача збільшується швидкість розчинення поверхності шару, тобто водорозчинних солей і плівки до 25 – 30 с та насичення розчину мелясою, що запобігає утворенню первісного насиченого розчину напівгідрату в перший період, за рахунок чого підвищується міцність каркасу і збільшення щільності, а відповідно і міцності також сприяє введення піногасників і пластифікаторів (рис. . б).

Рис. 9 Мікрофотографія поверхні гіпсу:

а) з немодифікованою добавкою; б) з модифікованою добавкою

Експериментальні дослідження дозволили при розробці шпатлівочних та штукатурних сумішей встановити оптимальне співвідношення гіпсу, наповнювача, і комплексної добавки. Час придатності шпатлівочних сумішей становить 45 – 60 хв. Подальше збільшення вмісту комплексної добавки понад 0,75 % від маси в’яжучого дозволяє збільшити термін придатності, але при цьому міцність при стиску дещо знижується, що не бажано.

На основі результатів експериментальних досліджень у роботі також визначено склади штукатурних сухих сумішей на основі будівельного гіпсу та дрібного заповнювача (як такий використовували дніпровський річний пісок).

Одержані дані показують, що при введенні добавки в штукатурні суміші на 5 – % зменшується кількість води, необхідної для одержання тіста із заданою рухливістю, крім того, збільшується один з основних показників – час придатності. При вмісті добавки 0,70 – 0,80% він становить близько 60 хв. При цьому міцнісні показники відповідають встановленим вимогам Д БН В.2.6 – 22 – 2003.

Проведені дослідження водоутримуючої здатності і адгезійної міцності розроблених сумішей показали, що комплексна добавка позитивно впливає на дані властивості (водоутримуюча здатність - 97,5%, адгезійна міцність – 0,3 – 0,35 МПа). Але трохи поступається за окремими показниками сумішам, у складі яких використовуються дисперсні полімерні порошки (рис. 10).

Дослідження паропроникності, проведені згідно до нормативних документів, показують, що застосування розробленої добавки підвищує паропроникність як шпатлівочних, так і штукатурних гіпсових сумішей (рис. ). Редисперсійні полімерні порошки при твердінні композицій заповнюють пори і порожнечі, тим самим, знижуючи паропроникність.

Рис. 10. Гістограми порівняння: а) адгезії; б) паропроникності шпатлівочних сумішей (при використанні редисперсійних полімерних порошків і комплексної добавки на основі меляси)

Модифікування добавки додаванням у її сполуку пластифікаторів і розчинників дозволяє знизити водопотребу та підвищити водоутримуючу здатність суміші до 97 – 97,5%.

У п’ятому роздiлi розроблена технологія виробництва сухих добавок із відходів цукрової та газової промисловості, яка складається із трьох основних частин: підготовки вхідних матеріалів, готування суміші й видача готової продукції.

Запропонована схема дозволяє виробляти комплексну добавку (КПС), а також використовувати її для виготовлення добавок інших видів, що, безумовно, буде сприяти підвищенню їхньої якості. Крім того, була розроблена технологічна схема виготовлення сухих будівельних сумішей. дослідна партія шпатлівочної суміші виготовлялася масою 3 тони. для проведення випробувань технологічності суміші та визначення основних фізико-механічних властивостей виготовлена дослідна партія, була направлена на будівельно-монтажну ділянку. Проведені випробування підтвердили результати лабораторних досліджень і відповідність основним техніко-економічним характеристикам нормативних вимог і показникам аналогічних сумішей виробництва відомих фірм.

В розділі також проведено розрахунок собівартості будівельної суміші і порівняльний аналіз вартості з іншими будівельними сумішами. Економічний ефект випуску дослідно-промислової партії склав 0,1 грн/кг. У порівнянні з аналогічними сумішами на основі імпортних добавок вартість розроблених сумішей нижче в 1,5 – 3 рази.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість застосування меляси, вторинного продукту цукрового виробництва, як добавки для регулювання терміну тужавлення напівводного гіпсу. Виходячи з хімічної будови речовин, що входять до складу меляси, можна стверджувати, що найбільш реакційноздатними є групи: (кислотна) і – ОН (спиртова). Взаємодіючи з іоном кальцію утворюють солі цих речовин які, осідаючи на зернах в'яжучого, гальмують гідратацію. Можливе також утворення комплексів, що включають іони Са2+ з гідроксил - іонами добавок. Комплекси в розчині знижують насиченість розчину, завдяки чому також забезпечується ефект уповільнення процесів гідратації.

2. Доведено, що спільне використання меляси й карбідного мулу дозволяє одержати добавку у вигляді сухого порошку. Механізм одержання сухої добавки полягає в наступному: карбідний мул (водорозчинний агент) при спільному перемішуванні і подальшому сушінні (t = 90ос) з мелясою утворює водорозчинні солі глюконата кальцію і плівку на часточках меляси, які перешкоджають адсорбції вологи, таким чином сухий порошок може зберігатися тривалий час.

3. Установлено, що розроблена добавка дозволяє регулювати термін тужавлення в межах 25 – 90 хв, крім того, водогіпсове відношення знижується на 5 – 8 %, тобто добавка має пластифікуючі властивості. Важливою перевагою добавок даного класу є ефективність застосування, що виражається в порівняно низьких дозуваннях 0,3 – 1,0 % за масою.

4. Розширено теоретичні уявлення про механізм дії добавки на процеси гідратації напівводного гіпсу, що полягає в наступному: при змішуванні з водою відбувається розчинення солей і гідроокису кальцію, за рахунок чого підвищується лужність середовища до рн = 11 і на поверхні напівгідрату формується плівка з меляси, внаслідок чого знижується швидкість розчинення й утворення пересиченого розчину та утворення двогідрату, що спричиняє збільшення терміну тужавлення. Кінцевий механізм більш складний і пов'язаний не тільки зі швидкістю розчинення напівгідрату, але й зі зниженням швидкості утворення центрів кристалізації і росту кристалів.

5. Запропоновано технологію виробництва (Деклараційний патент UA А 7 С04У26/26. Спосіб виготовлення редисперсійних порошків), що відрізняється порівняною простотою та не потребує спеціального технологічного устаткування. Основними критеріями, які визначають основні параметри технології виготовлення добавки, є співвідношення вмісту меляси та карбідного мулу, яке складає за масою 60:40%, і температура сушіння не більше 90ос.

6. Структура затверділого гіпсового розчину з модифікованою добавкою має рівномірну будову й знижену пористість. Це пов'язане з тим, що введення розріджувача сприяє збільшенню швидкості розчинення добавки до 25 – с. Таким чином запобігається утворення перенасиченого розчину на первісній стадії процесу гідратації напівводного гіпсу. Використання в складі модифікованої добавки піногасника та пластифікатора знижує пористість і водогіпсове відношення, що дозволяє класифікувати добавку як комплексну.

7. Установлено, що вміст комплексної добавки в розроблених шпатлівочних сумішах із вмістом карбонатного наповнювача 40 – 60% за масою становить 0,7 – ,8від маси в'яжучого, при цьому час придатності в межах 45 – 70 хв. Порівняння показників розчинних сумішей і затверділих шпатлівочних розчинів з аналогічними сумішами відомих фірм за водоутримуючою здатністю й адгезійнною міцністю, які становлять відповідно 97,5% і 0,35 Мпа, підтверджує конкурентоспроможність сумішей на основі запропонованих комплексних добавок.

8. Установлено, що паропроникність сухих гіпсових сумішей з даною комплексною добавкою підвищується на 40 – 60% у порівнянні з добавками на основі редисперсійних полімерних порошків, що забезпечує регулювання вологості конструкцій і створення більш комфортних умов у приміщеннях.

9. Запропоновані штукатурні суміші на основі комплексної добавки в кількості 0,6 – 0,75 % за масою в'яжучого мають термін придатності в межах 45 –  хв і показники міцності на 10 – 15% вище суміші без добавки. Підвищення вмісту добавки до 0,9 – 1% забезпечує збільшення часу придатності до 1,5 – 2 год, однак при цьому знижуються показники міцності.

10. Дослідно  промислові випробування партії сухої гіпсової суміші із застосуванням комплексної добавки підтвердили результати лабораторних досліджень і відповідність основним техніко  економічним характеристикам нормативних вимог і показникам аналогічних сумішей виробництва відомих фірм. Економічний ефект випуску дослідно-промислової партії склав 0,1 грн/кг. У порівнянні з аналогічними сумішами на основі імпортних добавок вартість розроблених сумішей нижче в 1,5 – 3 рази. Собівартість 1 кг комплексної добавки на основі відходів цукрової й газової промисловості становить 2,66 грн/кг, що вказує на перспективи даного напрямку розробки добавок для виробництва сухих гіпсових сумішей.

перелік наукових праць за темою дисертації

1. Деревянко В.Н., Шаповалова О.В., Усик Ю.А., Бойко О.В. Разработка комплексной добавки регулирования сроков схватывания гипса // Вопросы химии и химической технологи. – Днепропетровск, 2002. № 6. – с. .

2. Волошин В.Ф., Дерев’янко В.м., Кондратьєва Н.В., Шаповалова О.В., Мороз В.Ю. Сухі будівельні суміші для опорядження будинків // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – 2003. – № . – с. 49-52.

3. Волошин В.Ф., Дерев’янко В.М., Кондратьєва Н.В., Шаповалова О.В., Мороз В.Ю. Комплексні добавки для сухих будівельних сумішей // Строительные материалы и изделия. – Киев, 2003. – спецвыпуск. – с. 26-27.

4. Деревянко В.Н., Шаповалова О.В., Мороз В.Ю. Методология научных исследований по повышению стойкости защитных покрытий //Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов. – Дніпропетровськ: ПГАСА, 2003. - Вып. 22 ч. 1. – с. 257-262.

5. Дерев’янко В.М., Шаповалова О.В. Регулювання властивостей розчинів та бетонів для опорядження будинків // Структура, свойства и состав бетона. – Ровно, 2003. – с. 73-76.

6. Мороз В.Ю., Шаповалова О.В., Бондаренко А.А. Исследование свойств гипсовых растворов с применением добавок // Хiмiя i сучаснi технологii. – Дніпропетровськ, 2003. – с. 182-183.

7. Шаповалова О.В., Соловьева А.Н., Волык О.В., Кондратьева Н.В. Гипсовые вяжущие в современном строительстве // Хiмiя i сучаснi технологii. – Дніпропетровськ, 2003. – с. 205-206.

8. Мороз В.Ю., Шаповалова О.В., Кондратьева Н.В. Деревянко В.Н., Волошин В.Ф. К вопросу регулирования свойств сухих гипсовых смесей // Вопросы химии и химической технологии,– Днепропетровск, 2004. № 3. – с. .

9. Деревянко В.Н., Рябошапка А.Н., Шаповалова О.В. Регулирование свойств строительных смесей для отделки изделий из легких бетонов // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. – 2004. - Вип. 4 (28), ч. 2. – с. 78-80.

10. Деревянко В.Н., Соловьева А.Н., Шаповалова О.В., Кондратьева Н.В. Разработка добавок на основе вторичных продуктов сахарной промышленности и отходов сахарного производства // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – 2005. – № 20. – с. 102-110.

11. Деклараційний патент UA 71306 А 7 С04В26/26. Спосіб виготовлення редисперсійних порошків / В.Ю. Мороз, В.М. Дерев’янко, В.Ф. Волошин, О.В. Шаповалова (Україна). – Опубл. 15.11.2004, Бюл. № 11. - 4 с.

12. Деклараційний патент на винахід 65943 А Україна. МКІ С04В26/26. Спосіб виготовлення редисперсійних полімерних порошків / В.І. Большаков, В.М. Дерев’янко, В.Ф. Волошин, Н.В. Кондратьєва, О.В. Шаповалова (Україна). - Опубл. 15.04.2004. Бюл. № 4. – 4 с.

13. Усик Ю.А., Филатова М.В., Бойко О.В., Шаповалова О.В., Деревянко В.Н. Разработка комплексной добавки регулирования сроков схватывания гипса // Хімія і хімічні технології: Тези доповідей. – Дніпропетровськ: УДХТУ, 2002. – с.  .

14. Shapovalova O.V. Dry Building Mixes // Наука і техніка: Перспективи ХХІ століття: тези доповідей. – Дніпропетровськ: ПГАСА; ІБФО, 2004. – с. .

АНОТАЦІЯ

Шаповалова О.В. Сухі гіпсові суміші з комплексними добавками на основі вторинних продуктів цукрової та газової промисловості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2006 р.

Дисертація присвячена питанням розробки й дослідження сухих будівельних сумішей на основі гіпсу з комплексними добавками на основі вторинних продуктів цукрової й газової промисловості. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість збільшення часу придатності суміші за рахунок введення добавок на основі вторинних продуктів цукрової й газової промисловості.

У роботі досліджено вплив основних складових добавки (меляси та карбідного мулу) на властивості напівводного гіпсу. Запропоновано та установлено механізм одержання сухої добавки

Вивчено властивості розробленої добавки яка, дозволяє регулювати терміни тужавлення напівводного гіпсу, знижує водогіпсове відношення, має пластифікуючі властивості.

Розроблено технологію виготовлення добавки та визначені оптимальні параметри технологічного процесу одержання сухої добавки на основі вторинних продуктів цукрової й газової промисловості.

Визначено оптимальні сполуки компонентів сухих шпатлівочних і штукатурних сумішей на основі будівельного гіпсу із застосуванням комплексної добавки.

Простежено вплив комплексної добавки на властивості шпатлівочних і штукатурних сумішей. Результати роботи реалізовані у виробництві сухих гіпсових сумішей.

Ключові слова: суха гіпсова суміш, добавка, міцність, час придатності, термін тужавлення.

АнНОТАЦИЯ

Шаповалова О.В. Сухие гипсовые смеси с комплексными добавками на основе вторичных продуктов сахарной и газовой промышленности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2006 г.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследованию сухих строительных смесей на основе гипса с комплексными добавками на основе вторичных продуктов сахарной и газовой промышленности. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность увеличения времени пригодности смеси за счет введения добавок на основе вторичных продуктов сахарной и газовой промышленности.

В работе исследованы свойства основных составляющих добавки (мелассы и карбидного ила) на свойства полуводного гипса. Предложен и установлен механизм получения сухой добавки – карбидный ил (водорастворимый агент) при совместном перемешивании и дальнейшей сушке с мелассой образует, водорастворимые соли глюконата кальция и пленку на частичках мелассы и препятствуют адсорбции влаги. С использованием математических методов планирования определены оптимальные составы компонентов модифицированой добавки.

Рассмотрено влияние разработанной добавки на свойства полуводного гипса, которая позволяет регулировать сроки схватывания гипса, снижает водогипсовое отношение, имеет пластифицирующие свойства.

Разработана технология изготовления добавки и определены оптимальные параметры технологического процесса получения сухой добавки на основе вторичных продуктов сахарной и газовой промышленности.

определены оптимальные составы компонентов сухих шпатлевочных