Влияние водогипсового отношения на формирование пространственной структуры и прочность пеногипса

Пеногипс является перспективным строительным материалом, обладающим уникальным комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик. Высокие показатели звуко-, теплоизоляции и термического сопротивления в совокупности с принадлежностью к группе негорючих материалов позволяют эффективно применять его в различных направлениях строительства. Продукт востребован при устройстве облегченных монолитных стяжек, возведении огнестойких межкомнатных перегородок, производстве декоративно-акустических панелей, а также при изготовлении стен для малоэтажного домостроения [1-3].

С 01.04.2026 вступил в действие национальный стандарт РФ ГОСТ Р 72224-2025, впервые установивший требования к пеногипсу и изделиям из него. И, несмотря на то что, согласно п. 1 ст. 26 Федерального Закона №162-ФЗ «О стандартизации в РФ», документы национальной системы стандартизации применяются на добровольной основе, за рядом отдельных исключений, Стандарт создает прецедент, закрепляющий минимальные пороговые значения качества, на которые будут ориентироваться потребители.

Для повышения конкурентоспособности продукции и снижения уровня брака потребуется четкая регламентация на всех этапах производства пеногипса от проектирования состава до отгрузки конечному потребителю. В частности, переход к математическому моделированию рецептур позволит прогнозировать свойства продукта еще до создания опытных образцов [4].

В технологическом процессе производства пеногипса, как и в производстве других изделий на основе пен, особое внимание уделяется повышению стабильности смеси и обеспечению требуемой прочности [5-10]. Поэтому при проектировании состава материала ключевой задачей является установление оптимального водогипсового отношения (В/Г), так как именно этот фактор определяет его структуру и свойства [11, 12].

К нарушению структуры материала и понижению его прочности может привести как слишком высокое, так и низкое значение В/Г. При низком В/Г получить высокопористый материал с замкнутыми ячейками практически невозможно. Смесь будет слишком вязкой и погасит пену. Высокое В/Г может привести к разрушению структуры еще до затвердевания смеси вследствие ее расслоения, слияния пузырьков и их всплытия на поверхность.

Цель работы - исследовать влияние водогипсового отношения на прочность пеногипса плотностью 600 кг/м³ и определить необходимые условия для формирования его оптимальной пространственной структуры. При этом под оптимальной пространственной структурой пеногипса подразумевается мелкопористая структура с замкнутыми порами.

Материалы и методы исследования

Пеногипс изготавливали по двустадийной технологии. Для оценки влияния воды затворения и воды в составе пены использовались показатели водогипсового отношения матрицы ( В/Г) м и общее водогипсовое отношение системы ( В/Г) общ . При изготовлении образцов пеногипса варьировалось водогипсовое отношение гипсовой матрицы. Данный показатель рассчитывался без учета воды, содержащейся в пене, и характеризует консистенцию смеси до ее поризации.

В качестве сырьевых материалов для изготовления матрицы применяли: вяжущее гипсовое Г-4, Б II ГОСТ125, г. Ангарск. Гранулометрический состав гипсового вяжущего представлен в таблице 1. Определение гранулометрического состава проводилось методом лазерной дифракции на анализаторе Analysette 22 MicroTec Plus (Fritsch GmbH). Измерения осуществлялись в жидкостном модуле диспергирования (дистиллированная вода).

Таблица 1

Гранулометрические характеристики гипсового вяжущего

Размер частиц x in, µm	Интегральное распределение Q3(x) in, %	Коэффициент вариации CV in, %	Номер измерения
			M5913	M5914
0,1	0,3	5,8	0,3	0,2
1	8,8	5,2	8,3	9,2
8	40,2	1,3	39,7	40,8
15	69,1	6	65	73,3
30	90,5	2,2	88,5	92,5
55	98,6	0	98,6	98,5
100	100	0	100	100

С целью минимизации влияния гидратации гипсового вяжущего на результаты анализа время контакта материала с водной средой до завершения регистрации дифракционной картины не превышало 45–60 с. Данный временной интервал соответствует стадии подготовки гипсовой матрицы (30–45 с), что позволяет зафиксировать гранулометрический состав вяжущего непосредственно в момент его готовности к совмещению с пеной.

Для поризации матрицы использовали синтетический пенообразователь ПБ 2000 ТУ 2481-185-05744685-01. Кратность пены составляла 14 при концентрации раствора пенообразователя 1:47 (соотношение одной весовой части пенообразователя к числу весовых частей воды). Прочность пеногипса определяли в соответствии с ГОСТ Р 58276 после 7 сут выдержки и последующего высушивания до постоянной массы.

Параметры структуры устанавливали с помощью микроскопа Levenhuk с цифровой камерой Levenhuk M200 BASE и программного обеспечения обработки изображения LevenhukLite 4.11.

Макропористость пеногипса характеризовалась следующими показателями:

• -    диаметром ячейки и толщиной межпоровой перегородки (средними d , ti , максимальными d max , t max и минимальными d min , t min значениями соответственно);

• -    средним квадратичным отклонением в значениях диаметра ячеек σ_d и толщины перегородок σ_t ;

• -    коэффициентом вариации (изменчивости) значения диаметра ячеек CV_d и толщины перегородки CV_t .

Результаты исследования и их обсуждение

Составы пеногипса плотностью 600 кг/м3 и результаты зависимости прочности пеногипса от значений В/Г матрицы (без учета воды пенообразователя) представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Таблица 2

Составы пеногипса плотностью 600 кг/м3

Состав на 1 м3 смеси, кг				Расплыв матрицы по Сут-тарду, см	( В/Г) м (без учета воды в пене)	( В/Г) общ (с учётом воды в пене)	Прочность, МПа
пена		матрица					при сжатии	при изгибе
ПБ 2000	вода	гипс	вода
0,84	39	500	250	12	0,50	0,58	0,53	0,36
0,81	38	500	275	18	0,55	0,63	0,87	0,58
0,77	36	500	300	26	0,60	0,67	1,08	0,60
0,73	34	500	325	29	0,65	0,72	1,30	0,80
0,70	33	500	350	30	0,70	0,76	1,67	1,31

С увеличением В/Г матрицы с 0,5 до 0,7 (при концентрации раствора пенообразователя 1:47) в пеногипсе плотностью 600 кг/м3 наблюдалось повышение прочности при сжатии в 3,2 раза и при изгибе в 3,6 раза.

Водогипсовое отношение матрицы (без учета воды пены)

Рисунок 1 – Зависимость прочности пеногипса средней плотностью 600 кг/м³ от водогипсового отношения матрицы ( В/Г) м : 1 - при сжатии, 2 - при изгибе

Представленные на рисунке 1 данные согласуются с результатами исследований пенобетона на основе цементного вяжущего [13–16]. Авторы [16] подтверждают, что наблюдаемая зависимость (рост прочности при повышении водотвердого отношения) не противоречит формуле прочности бетона Р. Фере [17] при условии строгого учета объема вовлеченного воздуха.

Таким образом, определение оптимального водогипсового отношения материала ( В/Г )общ следует рассмотреть с учетом объема воздуха, который в пеногипсе плотностью 600 кг/м³ составляет 73–75 % (общая пористость).

С целью определения оптимального количества воды, обеспечивающего нормальный ход гидратации, представили макроструктуру пенобетона на основе гипсового вяжущего в упрощенной математической форме в зависимости от максимального размера зерна гипса (рис. 2). Если найти объем межпорового пространства заданной макроструктуры, можно определить количества материала для его заполнения, в том числе водной составляющей.

Нора первого порядка радиусом г

Покрытие поры толщиной 0,5 I

Толщина перегородки /

Объем пространства Vy

Предполагаемый верхний ряд пор

Рисунок 2 – Модель макроструктуры пеногипса и ее определяющие параметры

Параметры макроструктуры пенобетона на цементном вяжущем и пеногипса (форма и размер пор, толщина перегородок) зависят от соотношения в их смеси объема воздуха, твердой и жидкой фазы. Согласно результатам исследований [16, 18], при снижении плотности данных материалов увеличивался диаметр их ячеек (макропор). В условиях «дефицита» объема растворной части, заполняющей межпоровое пространство, система минимизировала суммарную площадь межфазных границ и тем самым обеспечивала сохранение структуры с замкнутыми ячейками. Таким образом, пенобетонная смесь имела признаки самоорганизующейся системы.

Полагаем, что одним из условий для проявления самоорганизации системы [19] является создание достаточного объема жидкой фазы вокруг каждой частицы вяжущего. Это позволило удерживать молекулы пенообразователя на границе «воздух – жидкость» и минимизировать их нецелевое адсорбционное связывание на поверхности вяжущего (в частности, гипса). Кроме того, достаточный объем жидкой среды исключил преждевременную избыточную минерализацию пленок (флотационный эффект). Раннее упрочнение стенок пузырьков дисперсными частицами блокировало капиллярное перераспределение фаз, лишая систему эластичности. В результате возникающие внутренние напряжения могут привести к прорыву перегородок, препятствуя переходу системы в замкнуто-пористое состояние.

Поскольку содержание гипсового вяжущего в пеногипсе было жестко регламентировано заданной плотностью материала, соблюдение баланса между объемом растворной смеси и объемом межпорового пространства обеспечивалось расчетным количеством воды, которое и принималось за оптимальное.

Для решения поставленной задачи были заданы вышеуказанные параметры в модели: объем пространства между плотноупакованными ячейками без учета перегородки между ними Vy, радиус поры r и толщина межпоровой перегородки t (рис. 2). Они определяют объем межпорового пространства.

Согласно работе [16], взаимосвязь между параметрами и объемом межпорового пространства V_K описывается математической зависимостью:

V к =1

(1 - V ) (■+; ) ³

где V у =0,26 - при ячейках одного размера, имеющих форму сферы, м³.

В условиях заданного значения средней плотности пеногипса объем воды в растворной части эквивалентен пространству, не занятому твердыми компонентами состава:

в = V к - Р в - , ρ_в

где V к - объем межпорового пространства (объем каркаса) в 1 м³ пенобетонной смеси, м³; Р_в - расход вяжущего компонента на 1 м³ пенобетонной смеси, кг; р _в - истинная плотность вяжущего компонента, кг/м³.

Чтобы обеспечить условие достаточного объема воды вокруг каждой частицы вяжущего, толщина межпоровой перегородки макроструктуры должна превышать максимальный размер зерна. Таким образом, зная гранулометрический состав гипсового вяжущего и средний радиус пор, рассчитывалось оптимальное ( В/Г) общ пеногипса.

Универсальность разработанного подхода к определению оптимального количества воды в смеси и возможность его применения к пеногипсам обусловлены общей причиной отсутствия развития прочности в пенобетонах на вяжущих гидратационного твердения (гипсе, цементе) - адсорбцией ПАВ на зернах вяжущего [20].

Параметры макроструктуры пеногипса, представленные на рисунке 3 и в таблице 3, наглядно показали влияние водного компонента на формирование ячеистой структуры мате- риала.

Рисунок 3 - Фотография структуры пеногипса D 600 ( х 20):

а - с ( В/Г) общ =0,58; б - с ( В/Г) общ =0,76.

Таблица 3

Характеристики макроструктуры пеногипса марки D600

с минимальным и максимальным водогипсовым отношением поризованной смеси ( В/Г) общ

( В/Г) общ пеногипса	Диаметр ячейки пеногипса, мм					Толщина перегородки пеногипса, мкм
	d	d max	d min	σd	CV d	_ t	t max	t min	σt	CV t
0,58	0,33	0,72	0,82	116	0,36	39	123	14	20	0,51
0,76	0,31	0,95	0,11	147	0,48	62	249	11	46	0,79

Согласно полученным результатам, представленным в таблице 3, с увеличением количества воды в смеси воздушные поры пеногипса приобрели более четкую сферическую форму. При этом возрасла доля замкнутых пор, средний диаметр ячеек снизился с 0,33 до 0,31 мм, а толщина межпоровых перегородок увеличилась с 39 до 62 мкм.

Утолщение в полтора раза межпоровых перегородок пеногипса при повышении ( В/Г ) общ объяснимо с позиций механизма А. Ф. Полака. Молекулы пенообразователя замедлили растворение гипса и возникновение зародышей новой фазы. При повышении ( В/Г) общ блокирующее действие ПАВ снизилось, что интенсифицировало растворение и увеличивало степень пересыщения в межпоровом пространстве. Это позволило сформировать кристаллизационную структуру при большем расстоянии между срастающимися частицами.

Провели расчет оптимального количества воды с полученными параметрами макроструктуры: средним диаметром поры 0,31 мм и толщиной межпоровой перегородки 62 мкм.

Рассчитанное с помощью представленной модели оптимальное значение для пеногипса ( В/Г) общ = 0,77 (рис. 4) согласуется с экспериментальными данными. Так, для материала с диаметром ячейки 0,31 мм и толщиной перегородки 62 мкм, изготовленного на основе гипсового вяжущего с размером зерен менее 60 мкм, опытное оптимальное водогипсовое отношение составило ( В/Г) общ = 0,76 (см. табл. 3).

Рисунок 4 - Результаты расчета оптимального ( В/Г) общ пеногипса плотностью 600 кг/м³ в зависимости от толщины перегородки при диаметре ячейки 0,31 мм

Совпадение экспериментальных и расчетных данных подтвердило предположение о формировании структуры пеногипса с замкнутыми ячейками: размер максимального зерна гипсового вяжущего должен быть меньше толщины межпоровой перегородки, а объем матрицы равен объему заданного межпорового пространства. При этом баланс между объемом матрицы и объемом межпорового пространства достигается варьированием количества воды, определяющим его оптимальное значение.

Заключение

Разработанный подход к определению оптимального количества воды для пенобетона на цементном вяжущем [16] справедлив для пеногипса. Справедливость расчета оптимального В/Г была доказана результатами, полученными в ходе исследования:

• 1.    В интервале В/Г матрицы от 0,5 до 0,7 выявлена прямая зависимость прочности пеногипса D600 от количества воды гипсового раствора.

• 2.    Количество воды, рассчитанное из условия заполнения межпорового пространства, обусловленного размером зерна вяжущего, совпало с экспериментальным количеством воды, обеспечивающим максимальную прочность пеногипса.

• 3.    Толщина межпоровой перегородки пеногипса с максимальной прочностью, составила 62 мкм, что незначительно превысило максимальный размер зерна гипсового вяжущего.

• 4.    С увеличением В/Г пеногипса с 0,56 до 0,76 наблюдалась оптимизация его макроструктуры (замкнутые поры и увеличение толщины перегородки в более чем в 1,5 раза.