Влияние наносуспензии метакаолина на свойства гипсобетона с древесным заполнителем

Известно, что гипсобетон (далее - ГБ) с древесным заполнителем (далее - ДЗ) является стойким к негативному воздействию водорастворимых редуцирующих веществ (сахаров) древесины и отличается хорошими адгезионными свойствами. Гипсовые вяжущие позволяют снизить гигроскопичность, горючесть, склонность к загниванию и поражению микроорганизмами древесного заполнителя [1 - 3].

Тем не менее ГБ с ДЗ характеризуется низкими прочностью и водостойкостью. Одним из решений данной проблемы может быть использование минеральных добавок природного и искусственного происхождения как отдельно, так и в комплексе с суперпластификаторами, способствующих формированию плотной и прочной гипсовой матрицы [4-11].

В данном контексте большой научно-практический интерес вызывает метакаолин (Al 2 O 3 ×2SiO 2 ) – тонкодисперсная активная минеральная добавка, получаемая термической обработкой природной глины (каолина) [12 - 15].

Цель работы - исследование влияния наносуспензии метакаолина на физико-механические свойства гипсобетона с древесным заполнителем (ГБ с ДЗ) для внутренних перегородок зданий.

Материалы и методы исследования

Для изготовления образцов ГБ с ДЗ применялись:

• -    гипсовое вяжущее марки Г-16 Б III ГОСТ 125-2018;

• -    абсолютно сухие березовые и сосновые опилки размером 1 - 5 мм;

• -    наносуспензия (далее - НС), полученная путем ультразвукового диспергирования (УЗД) метакаолина (МКЛН) по ГОСТ Р 59536-2021 со средним диаметром частиц 14 мкм в водной среде суперпластификатора С-3 (СП С-3) по ТУ 5870-002-58042865-03;

• -    вода затворения, объем которой в составах смесей определялся по водогипсовому отношению, соответствующему водопотребности гипсового вяжущего (36 - 40 %).

Приготовление гипсобетонных смесей осуществлялось в смесителе принудительного действия при последовательном дозировании древесных опилок, смоченных 2/3 частями воды, гипсового вяжущего и наносуспензии МКЛН, растворенной в 1/3 части воды.

Свойства ГБ с ДЗ определялись на образцах размерами 40×40×160 мм, которые были изготовлены виброуплотнением смесей в трехгнездовых формах и испытаны через 2 ч после их твердения в воздушно-сухих условиях и последующего высушивания до постоянной массы при температуре (50 ± 5) °С.

Устойчивость НС к процессу седиментации (оседанию частиц МКЛН в водной дисперсионной среде под действием силы тяжести) оценивалась по объему осадка в наносуспензии через 24 ч экспозиции с помощью седиментометра Н.А. Фигуровского.

Размер частиц наносуспензии анализировался методом фотонно-корреляционной спектроскопии на приборе ZetaPlus с многоугловой системой 90Plus/Bi-MAS, а ее устойчивость к процессу агрегации (укрупнению частиц и образованию агрегатов) – методом электрофоретического светорассеяния по значению дзета-потенциала через 24 ч экспозиции.

Структура гипсовой матрицы ГБ исследовалась на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU.

Результаты исследования и их обсуждение

Разработка оптимального состава наносуспензии метакаолина выполнялась с помощью трехфакторного плана эксперимента типа B-D13 в соответствии с матрицей, представленной в таблице 1, и заключалась в построении математической модели зависимости седиментационной устойчивости НС от массовой концентрации твердой фазы и продолжительности ультразвукового диспергирования.

Выбор факторов, уровней и интервалов их варьирования был обусловлен поиском значений, обеспечивающих получение НС с повышенной седиментационной устойчивостью, то есть с минимальным объемом осадка.

Математическая модель зависимости объема осадка (у) в наносуспензии от массовой концентрации МКЛН (х 1 ), СП С-3 (х 2 ) и продолжительности УЗД (х 3 ) описывалась уравнением регрессии, содержащим значимые коэффициенты по критерию Стьюдента и являющимся адекватным по критерию Фишера для оценки седиментационной устойчивости НС с доверительной вероятностью 95 %:

y = 10,62 + 5,39x 1 – 14,02x 2 – 2,31x 3 + 7,63x 1² + 17,48x 2² – 3,26x 3² – 2,15x 1 x 2 – 4,17x 1 x 3 . (1)

Таблица 1

№ опыта	Кодированное значение фактора			Натуральное значение фактора
	x 1	x 2	x 3	МКЛН, г/л	С-3, г/л	УЗД, мин
1	-1	-1	-1	1	0	4
2	+1	-1	-1	9	0	4
3	-1	+1	-1	1	5	4
4	-1	-1	+1	1	0	8
5	-1	+0,19	+0,19	1	2,98	6,38
6	+0,19	-1	+0,19	5,76	0	6,38
7	+0,19	+0,19	-1	5,76	2,98	4
8	-0,29	+1	+1	3,84	5	8
9	-1	-0,29	+1	9	1,78	8
10	+1	+1	-0,29	9	5	5,42

Матрица трехфакторного плана эксперимента по оптимизации состава наносуспензии метакаолина

По коэффициентам уравнения регрессии (1) был выполнен расчет объема осадка в НС в зависимости от заданных варьируемых факторов, характер влияния которых отображался поверхностями отклика (рис. 1), построенными с помощью компьютерной программы Sigma Plot. Из результатов математического моделирования следует, что для получения наносуспензии метакаолина с повышенной седиментационной устойчивостью наиболее оптимальным являлся состав НС, включающий 5 г/л метакаолина и 3,75 г/л суперпластификатора С-3, при а в НС не

о продолжительности воздействия ультразвуко превышал

Рисунок 1 – Поверхности отклика математической модели зависимости объема осадка в наносуспензии метакаолина от варьируемых факторов:

а – УЗД 4 мин; б – УЗД 6 мин; в – УЗД 8 мин

Установлено, что ультразвуковое диспергирование МКЛН в водной среде СП С-3 способствовало образованию наносуспензии со средним значением дзета-потенциала частиц минус 72,8 мВ, что свидетельствовало о ее высокой устойчивости к процессу агрегации (рис. 2).

б

Рисунок 2 – Дзета-потенциал частиц метакаолина после УЗД в водной среде: а – с СП С-3; б – без СП С-3

В результате УЗД метакаолина в водной среде СП С-3 была получена наносуспензия, средний диаметр частиц которой составлял 70 нм (рис. 3 а).

При этом НС содержала 80 % частиц диаметром от 39 до 52 нм, 20 % частиц – от 55 до 224 нм. Следует отметить, что средний диаметр частиц метакаолина после УЗД в водной среде без СП С-3 не превышал 1330 нм (рис. 3 б).

а

Rei. Vol. = 44.36 Cum. Vol =11 70 Diam (nm) = 39 42

б

Рисунок 3 – Размеры частиц метакаолина после УЗД в водной среде: а – с СП С-3; б – без СП С-3

Результаты испытаний образцов гипсобетона с древесным заполнителем (табл. 2) показали, что зависимость его физико-механических свойств от содержания наносуспензии метакаолина носила экстремальный характер.

Таблица 2

Физико-механические свойства гипсобетона с древесным заполнителем

Состав на 1 м3 гипсобетона				Показатели свойств
2 ь о К ч о	С”)     ° 3 3 и	к а со й К к >л 03 03 ^ И 3	кГ и	н о н * * о	и о °. S И 3 ■& go®	03 й s 03 к	03 й S К S К о 03 к	О ю д	о И * 2 s § S « 2- ^ со 5 ® й ад
Гипсобетон с березовыми опилками
170	1000	0	300	1190	0,18	7,1	8,3	9,8	0,58
		10	290	1205	0,19	7,7	9,2	9,6	0,61
		50	250	1223	0,20	8,3	10,9	9,5	0,72
		100	200	1224	0,20	9,5	14,1	9,3	0,78
		150	150	1210	0,19	8,2	12,6	9,6	0,72
		200	100	1204	0,19	7,5	9,1	9,7	0,60
Гипсобетон с сосновыми опилками
140	1000	0	300	1150	0,15	4,9	6,8	8,3	0,52
		10	290	1160	0,15	5,3	7,4	8,2	0,54
		50	250	1175	0,16	6,2	9,5	8,1	0,65
		100	200	1210	0,17	7,3	12,2	7,8	0,73
		150	150	1170	0,16	6,1	11,3	8,0	0,66
		200	100	1159	0,15	5,1	7,2	8,1	0,54

Максимальные значения прочности и водостойкости ГБ с ДЗ достигались при использовании НС в количестве 10 % от массы гипсового вяжущего.

В данном случае прочность на изгиб ГБ с березовыми опилками повысилась в 1,3 раза, прочность на сжатие - в 1,7 раза, а водостойкость - в 1,3 раза.

При введении НС в состав гипсобетона с сосновыми опилками его прочность на изгиб увеличилась в 1,5 раза, прочность на сжатие - в 1,8 раза, водостойкость - в 1,4 раза.

Рисунок 4 – Структура гипсовой матрицы в бетоне с древесным заполнителем (×3000): а – контрольный состав; б – состав с наносуспензией метакаолина

б

Повышение прочности и водостойкости ГБ с ДЗ обусловлено тем, что наночастицы метакаолина, стабилизированные суперпластификатором С-3, блокируют поверхность кристаллогидратов гипсового вяжущего, задерживают их рост и изменяют форму от пластинчатой до кубовидно-призматической, что способствовало формированию более плотной гипсовой матрицы (рис. 4).

Заключение

В ходе выполнения исследования установлено, что использование наносуспензии, полученной путем ультразвукового диспергирования метакаолина в водной среде суперпластификатора С-3, в количестве 10 % от массы гипсового вяжущего приводит к повышению прочности на изгиб в 1,3 - 1,5 раза, прочности на сжатие - в 1,7 - 1,8 раза, водостойкости - в 1,3 - 1,4 раза, а также снижению водопоглощения по объему на 5 - 6 % гипсобетона с березовыми и сосновыми опилками для внутренних перегородок зданий.