Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov Bulletin of Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhov Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова 2071-7318 22373 10.12737/article_5b4f02ae7b9974.05993554 Строительство и архитектура Construction and architecture Строительство и архитектура A STUDY OF THE CONCRETE WEATHERABILITY OF THE COMPOSITE GYPSUM BINDER ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРОСТОЙКОСТИ КЕРАМЗИТОБЕТОНА НА КОМПОЗИЦИОННОМ ГИПСОВОМ ВЯЖУЩЕМ Дребезгова М.Ю. Drebezgova M.Yu. Чернышева Н. В. Chernysheva N. V.

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Корбут Е. Е. Korbut Elena Evgen'evna

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова RU Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov RU Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University Белорусско-Российский университет Belarusian-Russian University 3 7 6 11 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/22373/view

Важной задачей промышленности строительных материалов является развитие отечественного производства эффективных строительных материалов и изделий, обеспечивающих снижение массы возводимых зданий, экологическую безопасность и комфортность жилья, снижение его стоимости и др. К таким материалам относятся гипсовые материалы и изделия, в частности керамзитобетоны на основе композиционных гипсовых вяжущих. Но, к сожалению, в настоящее время данный вид бетонов имеет ограниченное применение в строительстве, не соответствующее их потенциальным возможностям. Одной из причин такого положения является недостаточность проведенных исследований по определению эксплуатационных характеристик гипсобетонов. В данной статье авторами приводятся результаты исследования атмосферостойкости образцов керамзитобетона на основе композиционных гипсовых вяжущих с многокомпонентной тонкодисперсной минеральной добавкой, включающей отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходы ММС), нанодисперсный порошок кремнезема (НДП), мел и суперпластификатор SikaPlast 2135.

An important task of the construction materials industry is the development of domestic production of effective building materials and products, providing reduction of the mass of buildings, environmental safety and comfort of housing, reducing its cost, etc. Such materials include gypsum materials and products, in particular ceramsite concrete based on composite gypsum binders. But, unfortunately, currently this type of concrete has limited use in construction, not corresponding to their potential. One of the reasons for this situation is the lack of research to determine the operational characteristics of gypsum concrete. In this article, the authors present the results of the study of atmospheric stability of samples of expanded clay on the basis of composite gypsum binders with multicomponent fine mineral additive, including waste magnetic separation of ferrous quartzites, nanodispersed silica powder (NDP), chalk and superplasticizer SikaPlast 2135.

 керамзитобетон композиционное гипсовое вяжущее фазавый состав concrete composite gypsum binder phase structure

 Введение. По мнению многих исследователей [1–10], долговечность ограждающих конструкций зависит от условий их эксплуатации, а также влажностного состояния и свойств материала, из которого они созданы. Считается, что в результате чередующихся атмосферных воздействий (увлажнения, высушивания, замораживания и оттаивания) структура бетона расшатывается, возрастает трещинообразование, снижается стойкость к агрессивным воздействиям.Методология. Атмосферостойкость образцов керамзитобетона размером 10×10×10 см, находящихся на открытом стенде и подвергающихся атмосферным воздействиям, определяли по изменению показателей предела прочности при сжатии.Основная часть. Решающим фактором в обеспечении атмосферостойкости бетонов является их прочность и способность структуры материала воспринимать без разрушения знакопеременные деформации. Результаты исследования стойкости образцов из керамзитобетона на КГВ при их твердении в атмосферных условиях могут дать определенную оценку их долговечности. Для определения средней плотности и требуемой прочности керамзитобетона из бетонной смеси изготавливали образцы-кубы размером 10×10×10 см. Пользуясь существующими методиками по подбору состава керамзитобетона, исходя из заданной средней плотности бетона и его структуры, был рассчитан расход КГВ, воды (для требуемой жесткости или подвижности), заполнителей (крупного и мелкого). В исследованиях применяли КГВ, включающее: гипсовое вяжущие – β-модификации Г-5БII (Г-5) и α-модификации ГВВС-16 (Г-16), портландцемент ЦЕМ I 42,5Н (ПЦ), многокомпонентные тонкодисперсные минеральные добавки (отходы ММС, нанодисперсный порошок кремнезема (НДП) и мел) и суперпластификатор SikaPlast 2135. Состав КГВ (% по массе): гипсовое вяжущее – 68,05, портландцемент – 15,тонкомолотые отходы ММС – 15, НДП кремнезема – 0,45, мел – 1,5. При приготовлении бетонных смесей с водой затворения вводили 0,3 % суперпластификатора  SikaPlast 2135 (от массы КГВ). В качестве заполнителя применяли керамзитовый гравий с маркой по прочности П125, по насыпной плотности 500, средней насыпной плотностью460 кг/м3, наибольшей крупностью 20 мм.По результатам испытаний шести образцов-кубов с ребром 10 см, твердевших в атмосферных условиях в течение 4 лет, проводили оценку предела прочности при сжатии и структуры керамзитобетона.Составы и показатели физико-механических свойств керамзитобетона приведены в табл. 1. Натурные наблюдения и лабораторные исследования подтвердили достаточно высокую долговечность образцов керамзитобетона на КГВ при длительном атмосферном воздействии.  Исследованиями установлено, что у образцов, находящихся на открытом стенде 4 года, наблюдается прирост прочности на 18 % (с 11 до 13 МПа) с высокими показателями водостойкости 0,9 и морозостойкости F70, что согласуется с результатами исследований других авторов [2].Высокие показатели физико-механических свойств образцов керамзитобетона свидетельствуют о стабильности сформировавшейся структуры, что подтверждается поэлементным химическим анализом (табл. 2), электронной микроскопией (рис. 1), проведенными на растровом электронном микроскопе TeckanMIRA 3, и  результатами РФА (рис. 2).  Таблица 1Показатели свойств керамзитобетона на КГВКласс бетонаРасход материалов, кг /м3В/ВОК, смρср, кг/м 3, в срокиRсж, МПа в срокиКрF,циклыВ7,5КГВкерамзитводаСП, % от массы КГВ28 суток4.5 года28 суток4года4205552900,30,74-61135117511130970      Таблица 2 Состав продуктов гидратации в точках микрозондированияНазвание спектраСодержание элементов, масс %, в точках микрозондированияCONaMgAlSiSKCaTiFeСпект 16.5250.94   41.85  0.68  Спект 26.3040.02 1.176.7913.651.431.204.950.7223.74Спект 36.8532.65  0.332.560.92 4.25 52.44Спект 46.2053.76  0.280.8616.34 22.22 0.35Спект 54.0752.38    18.05 25.49  Спект 65.5462.10    14.67 17.69  Спект 75.2547.450.421.369.4724.120.222.142.230.466.87Спект 89.3951.86   2.4113.77 22.57  Спект 97.9350.58 0.825.8615.751.830.877.950.717.70Спект 1012.2350.300.220.191.915.020.480.3528.51 0.78Спект 115.7352.910.300.777.0325.090.911.003.360.232.66Спектр 124.3854.850.230.454.5132.69 0.940.54 1.41Спектр 137.9653.020.200.593.6910.061.860.6719.88 2.06Спектр 1411.2554.570.24 1.334.750.740.3226.40 0.40Спектр 158.7651.500.460.889.3020.09 1.802.42 4.79Спектр 1612.5050.710.220.352.735.130.180.4226.64 1.13Спектр 176.7458.80   32.740.45 0.87 0.40Спектр 186.7340.84 0.894.409.930.380.401.38 35.06Спектр 196.9150.580.441.169.5418.781.421.774.190.234.98Спектр 206.8449.030.350.996.5317.431.081.1511.380.334.89Спектр 2110.7451.100.430.887.6320.570.211.412.720.303.99Спектр 2216.9552.360.190.171.753.800.280.3323.41 0.76Спектр 239.4752.910.421.279.6816.700.211.542.150.784.85Спектр 2510.8255.47 0.180.3412.254.11 16.22 0.62Спектр 265.4656.28   0.2616.87 21.12  Спектр 274.4052.38   0.2018.81 24.21  Спектр 287.1452.63 0.522.6932.45 0.441.57 2.56Спектр 293.3148.19 1.6411.4525.63 2.941.19 5.65Спектр 3010.5748.88   7.7412.43 20.37  Спектр 3214.5356.02   6.793.66 19.00    Было установлено, что исследуемый образец характеризуется мелкокристаллической структурой новообразований разной морфологии и размеров, которые, судя по данным микроанализа, предположительно относятся к двуводному гипсу (спектр 27), к гидросиликатам кальция, гидроалюмосиликатам и гидроалюмоферритам кальция (спектры 28, 29), с упрочненными связями между кристаллами (табл. 2, рис. 1-г). Наблюдаются участки с более плотной структурой и отдельные блоки из прямых параллельных слоев. На поверхности зерна заполнителя (керамзита) наблюдается слой продуктов гидратации КГВ, что характеризует хорошее сцепление с ним затвердевшей матрицы (рис. 1-б).    аб вгРис. 1. Микроструктура образца керамзитобетона на КГВ, подвергшегося атмосферным воздействиям на открытом стенде в течение 4 лет:а) спектры 1–8; б) спектры 9–18; в) спектры 19–23; г) спектры 25–32   На рис. 1-в видны кристаллы гипса (спектры 21, 23) и поры заполнителя (спектр 20), зарастающие, предположительно, гидросиликатами кальция и др. новообразованиями (спектр 22).При рассмотрении рентгенограмм (рис. 2): было выявлено, что основным цементирующими веществами исследуемой пробы являются: СаSO4 2H2O (d=7,62; 4,29; 3,81; 3,073; 2,877; 1,880 ٴǺ);  СаСО3 (d=3,029; 2,49; 2,277; 2,093; 1,912; 1,869; ٴǺ); SiO2 (d=3,35; 2,55; 2,46; 2,29; 2,133; 1,85; 1,813; 1,662 Ǻ); CSH(B)  (d=12,55; 3,07; 2,82; 1,83; 3,35;2,46; 2,29; 2,133; 1,813; 1,662 Ǻ); 3СаО ·Al2O3 ·CaCO3·12H2O (d=7,6; 3,80; 2,86; 1,66 Ǻ).Пики (d=7,6; 3,80; 2,86; 1,66 Ǻ,)видимо, принадлежат четырехкальциевомумонокарбонатному гидроалюминату(3СаО·Al2O3 ·CaCO3·12H2O), образующемуся при гидратации С3А с добавкой СаСО3.Пики эттрингита (d=9,73; 5,61; 3,88; 2,564; 2,209 Ǻ) и Са(ОН)2 (d=4,93; 2,63; 1,93; ٴǺ) на рентгенограмме не обнаружены, имеются лишь их следы, что свидетельствует о наличии достаточного количества активных минеральных добавок в составе КГВ, содержащих кремнезем в химически активной форме и интенсивно связывающих Са(ОН)2 в гидросиликаты кальция типа CSH(В) и другие комплексные малорастворимые соединения, обеспечивающие прочность и водостойкость композита.    Рис. 2.  РФА затвердевшего КГВ из образца керамзитобетона  подвергшегося атмосферным воздействиям на открытом стенде в течение 4,5 лет  Выводы. Таким образом, длительные натурные наблюдения и исследования показали, что образцы керамзитобетона на основе КГВ, подвергающихся атмосферным воздействиям 4 года показали удовлетворительную эксплуатационную стойкость. Прочность бетона не снижается.  Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова. 

Гипс в малоэтажном строительстве. Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Изд-во АСВ, 2008. 240 с. Gypsum in low-rise construction. Under the General editorship of A.V. Ferronsky. M.: Publishing house of DIA, 2008, 240 p. Справочник. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Под общ. ред. проф., д-ра техн. наук А.В. Ферронской. М.: Изд-во ABC, 2004. 485 с. Handbook. Gypsum materials and products (production and application). A.V. Ferronsky. M.: Publishing house ABC, 2004, 485 p. Мирсаев Р.Н., Бабков В.В., Недосека И.В., Печенкина Т.В., Мирсаев, Р.Н. гипсовых стеновых изделий // Строительные мате-риалы. 2008. № 3. С. 78-80. Mirsaev R.N., Babkov V.V., Nedoseka I.V., Pechenkina T.V., Mirsaev R.N. Gypsum wall products. Construction materials, 2008, no. 3, pp. 78-80. Коровяков В.Ф, Бурьянов А.Ф. Науч-но-технические предпосылки эффективного использования гипсовых материалов в строительстве // Жилищное строительство. 2015. № 12. С. 38- 40. Korovyakov V.F., Buryanov A.F. Scientific and technical prerequisites for the effective use of gypsum materials in construction. Housing construction, 2015, no. 12, pp. 38-40. Гончаров Ю.А., Дубровина Г.Г., Губская А.Г., Бурьянов А.Ф. Гипсовые материалы и изделия нового поколения. Оценка энергоэффективности. Минск: Колоград, 2016. 336 с. Goncharov A.Yu., Dubrovin G.G., Gubsky A.G., Buryanov A.F. Gypsum materials and products of the new generation. Energy efficiency assessment. Minsk: Colored, 2016, 336 p. Гордина А.Ф., Яковлев Г.И., Полянских И.С. [и др.] Гипсовые композиции с комплексными модификаторами структуры // Строительные материалы. 2016. № 1-2. С. 90-95. Gordina A.F., Yakovlev G.I., Polyansky I.S. [etc.] Gypsum compositions with complex structure modifiers. Stroitel'nye materialy, 2016, no. 1-2, pp. 90-95. Бабков В.В., Латыпов В.М., Ломакина Л.Н., Шигапов Р.И. Модифицированные гипсовые вяжущие повышенной водостойкости и гипсокерамзитобетонные стеновые блоки для малоэтажного жилищного строительства на их основе // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 4-7. Babkov V.V., Latypov V.M., Lomakin L.N., Shigapov R.I. Modified gypsum binders of high water resistance and gipsokartonnye wall blocks for low-rise housing construction on their basis. Stroitel'nye materialy, 2012, no. 7, pp. 4-7. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород. М.: Изд. АСВ, 2006. 526 с. Lesovik V.S. Increase of efficiency of production of construction materials taking into account the Genesis of rocks. M.: Ed. DIA, 2006, 526 p. Потапов В.В., Сердан А.А. Осаждение кремнезема из гидротермального теплоносителя электрокоагуляцией // Химическая технология. 2002. № 9. С. 2-9. Potapov V.V., Serdan A.A. Deposition of silica from hydrothermal heat carrier by electrocoagulation. Chemical technology, 2002, no. 9, pp. 2-9. Дребезгова М.Ю. Особенности микростроения затвердевшего КГВ с многокомпонентными минеральными добавками // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №12. С. 136-140. Drebezova M.Y. Features of the micro-structure of hardened HC with the Wi-component mineral admixtures. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, no. 12, pp. 136-140. Lesovik V.S., Tschernyschova N.W., Drebezova M.Y. Нанодиспресное кремне-ёмсодержащее сырьё для повышения эффективности быстротвердеющих композиционных вяжущих (Nanodisperse kiesel säure haltige Rohstoffe zur Verbesserung der Effizienz schneller härten der Bindemittel mischungen) // 2. Weimar Gypsum Conference.Weimar, 26-27 März, 2014. P. 259-266. Lesovik V.S., Tschernyschova N.W., Drebezova M.Y. Nanodispresse silica-containing raw materials for improving the efficiency of fast-hardening composite binders (Nanodisperse kiesel säure haltige Rohstoffe zur Verbesserung der Effizienz schneller härten der Bindemittel mischungen). 2. Weimar Gypsum Conference. Weimar, 26-27 März, 2014, pp. 259-266. Чернышева Н.В., Лесовик В.С., Дребезгова М.Ю. Водостойкие гипсовые композиционные материалы с применением техногенного сырья. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 321 с. Chernysheva N.V., Lesovik V.S., Drebezova M.Y. water-resistant gypsum composite materials using technogenic raw materials. Belgorod: BSTU publishing House, 2015, 321 p. Дребезгова М.Ю., Чернышева Н.В., Шаталова С.В. Композиционное гипсовое вяжущее с многокомпонентными минеральными добавками разного генезиса // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №10. С.27-34. Drebezova M.Yu., Chernysheva N.V. Shatalov S.V. Composite gypsum binder with multi-component minerals of different Genesis. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, no. 10, pp. 27-34.