сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
В связи с тем, что при современном жилищном строительстве значительно выросли расходы на отделочные работы, необходима разработка защитно-декоративных покрытий, обладающих архитектурно-художественными достоинствами и высокими эксплуатационными свойствами при незначительном удорожании. Необходима разработка качественного многослойного монолитизированного композита с высокой степенью адгезии функциональных слоев друг к другу. Отходы стекольной промышленности различных фракций и красящие соли металлов предложено использовать для декоративного слоя, что позволяет получать практически неограниченную цветовую гамму покрытия при плазмохимическом модифицировании. Обоснован выбор применения боя высокоглинозёмистого огнеупора и глинозёмистого цемента в защитном слое ввиду их высокой термической устойчивости к резким перепадам температур. Предложены составы защитного слоя на основе вяжущих компонентов и декоративного слоя с использованием измельченного цветного тарного стекла и красящих солей металлов, увлажненных 5-% водным раствором жидкого стекла, что даёт возможность значительно расширить сырьевую базу для получения функциональных покрытий на бетоне. Определена температура разогрева расплава и кинетика его остывания с целью выявления рациональных скоростей и длительности высокотемпературной обработки для дальнейшего создания покрытий. Выявлены рациональные скорости плазменной обработки композиционного материала для формирования покрытий различной фактуры.
цементный композит, защитно-декоративные покрытия, цветные стеклянные бытовые отходы, цветные соли металлов, глинозёмистый цемент, бой высокоглинозёмистого огнеупора
Введение. При всем многообразии выпускаемых строительных материалов и изделий спектр применяемых сырьевых компонентов остается весьма ограниченным, а повышение качества продукции и придание им эмерджентных (несвойственных) свойств, происходит в основном за счет применения различных видов модифицирования. Анализ современных научных исследований позволяет предположить, что оптимизировать структуру и улучшить эксплуатационные характеристики композитов возможно путем применения эпигенетической модификации поверхности материалов [1–6]. Наиболее распространенным способом данной модификации является пропитка готовых изделий различными функциональными растворами, обеспечивающими гидрофобные, биозащитные и другие свойства, однако при этом происходит удорожание конечного продукта.
Недостаточно распространенными являются методы химической и термической обработки поверхности, которые позволяют достичь уникальных характеристик материалов, но обладающих рядом недостатков [7–14]. Плазмохимическое модифицирование приводит к значительному термоудару, дегидратации гидросиликатов в цементном камне и его разупрочнению, что снижает эксплуатационные показатели защитно-декоративного покрытия на изделиях из бетона и силикатных материалах, в частности прочность сцепления и морозостойкость, а использование специально подобранных глазурей и пигментов могут существенно повысить себестоимость готового изделия [15–17].
Совокупность данных проблем, а также различные фазово-структурные трансформации при эпигенетической плазмохимической модификации требуют тщательного подбора состава (наполнителей и агентов) как матрицы композита, так и покрытия. Решение данной проблемы возможно за счёт рационального выбора сырьевых компонентов и варьирования рецептурно-технологических факторов.
Использование плазменной струи позволит существенно интенсифицировать процессы образования стекловидного защитно-декоративного покрытия с повышенными техническими и эксплуатационными показателями, а применение различных отходов стекольной промышленности и красящих солей металлов предоставит возможность значительно расширить базу получения разнообразных видов декора на лицевой поверхности материалов.
Материалы и методы. Для получения различных составов защитного покрытия были использованы цемент ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент» и глинозёмистый цемент ВГЦ-1-35 производства ОАО «Пашийский металлургическо-цементный завод» (табл. 1), а также бой высокоглинозёмистого огнеупора КЛ-1,1 производства АО «Теплохиммонтаж» (табл. 2).
Таблица 1
Химический состав цементного клинкера
|
Цемент |
Содержание оксидов, масс. % |
|||||
|
Al2O3 |
CaO |
SiO2 |
MgO |
Fe2O3 |
Прочее |
|
|
ЦЕМ I 42,5Н |
5,16 |
66,34 |
22,33 |
0,51 |
4,42 |
1,24 |
|
ВГЦ-1-35 |
63,57 |
17,91 |
2,43 |
15,27 |
0,15 |
0,67 |
Таблица 2
Химический состав огнеупора
|
Содержание оксидов, масс. % |
||
|
Al2O3 |
Fe2O3 |
Прочее |
|
90 |
1 |
9 |
Для получения различных составов декоративного покрытия были использованы тарные стёкла различной цветовой гаммы, выпускаемые отечественной промышленностью, химический состав которых исследован рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре АРL 9900 «Thermo scientific» (табл. 3).
Таблица 3
Химический состав цветных тарных стёкол
|
Цвет тарного стекла |
Массовое содержание, масс. % |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
Fe2O3 |
K2O |
SO3 |
TiO2 |
Со3O4 |
|
|
Зелёное |
70,5 |
3,3 |
10,0 |
2,0 |
13,2 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,4 |
– |
|
Коричневое |
71,7 |
1,9 |
8,0 |
4,0 |
13,0 |
0,3 |
0,7 |
0,2 |
– |
– |
|
Синее |
67,5 |
5,2 |
4,7 |
2,2 |
17,2 |
0,9 |
2,0 |
0,12 |
0,03 |
0,062 |
|
Оливковое |
72,0 |
2,3 |
5,8 |
4,0 |
15,5 |
0,2 |
– |
0,5 |
– |
– |
Также для расширения цветовых характеристик покрытий использовали красящие соли металлов – кобальта, никеля, меди и хрома согласно нормативным документам и жидкое натриевое стекло с силикатным модулем 2,8 по ГОСТ 13078–81.
В качестве высокотемпературного источника в работе использован многофункциональный плазменный комплекс c температурой плазменной струи 6000 °С.
Кинетику остывания расплава определяли с помощью платино-платинородиевых термопар, которые заформовывали на глубину 2000 и 4000 мкм от поверхности композита. Температуру разогрева расплава на поверхности композита определяли оптическим пирометром «Проминь».
Основная часть. Формирование качественного многослойного монолитизированного композита с высокой степенью адгезии функциональных слоев друг к другу, в первую очередь, зависит от характеристик базовой матрицы композита. Основой композиционного отделочного материала является стеклобетон, на который один за другим будут наноситься защитный и декоративный слои. Ранее были подобраны эффективные составы цементных композитов с использованием отходов стекольной промышленности. Рассмотрен состав стеклобетона с соотношением «цемент : заполнитель» 1:3, заполнитель (бой стекла) брали разного фракционного состава. Наилучшие результаты на прочность получены для составов с фракцией стекла 0,63–0,8 и 0,8–1,25, которые взяты в качестве матрицы композита для получения защитно-декоративных покрытий путем плазмохимического модифицирования (табл. 4). Кроме того, теплопроводность стеклобетона ниже, чем у мелкозернистого бетона, а прочностные характеристики являются достаточными для отделочного материала. Таким образом, использование боя цветных тарных стёкол в композиционных материалах, подвергаемых высокотемпературной обработке, будет способствовать уменьшению отвода тепла в бетонную матрицу и, как следствие, позволит увеличить термостойкость и прочность готовых изделий.
С целью минимизации последствий термического удара разработаны составы защитного покрытия на основе глинозёмистого цемента и портландцемента с боем высокоглинозёмистого огнеупора разного фракционного состава. Также подобраны составы декоративного покрытия с использованием измельченного цветного тарного стекла и красящих солей металлов, увлажненных 5-% водным раствором жидкого стекла (табл. 5). Это даёт возможность значительно расширить сырьевую базу для получения функциональных покрытий на бетоне.
Таблица 4
Составы и характеристики стеклобетона
|
№ состава |
Состав стеклобетона, % |
В/Ц |
Характеристики стеклобетона |
||||
|
Портландцемент (ЦЕМ I 42,5Н) |
Бой стекла (фр. стекла) |
Прочность на сжатие, МПа |
Прочность на изгиб, МПа |
Плотность, кг/м3 |
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
||
|
1 |
25 |
75 (0,63–0,8) |
0,4 |
20,6 |
1,75 |
1676 |
0,226 |
|
2 |
25 |
75 (0,8–1,25) |
0,4 |
19,8 |
1,72 |
1643 |
0,276 |
Таблица 5
Составы защитного и декоративного покрытий
|
№ состава |
Защитное покрытие, % |
Декоративное покрытие, увлажненное 5-% водным раствором жидкого стекла |
||||
|
Портландцемент |
Бой высокоглинозёмистого огнеупора (фракционный состав, мм) |
Глинозёмистый цемент |
Присыпка боем высокоглинозёмистого огнеупора (фракционный состав, мм) |
Присыпка смесью цветных тарных стёкол (фракционный состав, мм) |
Красящие соли металлов, мас. % |
|
|
1 |
25 |
75 (0,25–0,63) |
– |
0,25–0,63 |
– |
0,5–3,0 |
|
2 |
25 |
75 (0,25–0,63) |
|
0,63–0,8 |
– |
0,5–3,0 |
|
3 |
25 |
75 (0,63–0,8) |
– |
0,63–0,8 |
– |
0,5–3,0 |
|
4 |
25 |
75 (0,63–0,8) |
|
0,8–1,25 |
– |
0,5–3,0 |
|
5 |
– |
– |
100 |
– |
0,25–0,63 |
– |
|
6 |
– |
– |
100 |
– |
0,63–0,8 |
– |
|
7 |
– |
– |
100 |
– |
0,8–1,25 |
– |
Перед оплавлением на стеклобетон наносили защитный и декоративный слои, затем оплавляли со скоростью 1 мм/с и определяли температуру расплава по толщине покрытия (табл. 6) и кинетику его остывания (рис. 1). Для изучения данных характеристик были выбраны составы № 3 и № 6 (табл. 5).
Таблица 6
Распределение температур по толщине покрытия
|
№ состава |
Температура расплава |
Температура на глубине 2000 мкм, °С |
Температура на глубине 4000 мкм, °С |
|
3 |
2075 |
1543 |
471 |
|
6 |
2010 |
1498 |
386 |
Анализ измерения температуры (рис. 1) показал, что поверхность композита разогревается до 2000 °С с образованием расплава за считанные секунды, остывание лицевой поверхности до 200 °C осуществляется в течение 6–7 минут. Образование расплава и формирование покрытия происходит как на поверхности композита, так и на глубине 2000 мкм. Поверхностный слой стеклобетона (4000 мкм) при минимальной скорости плазменной обработки не прогревается выше 500 °С, что является безопасным и прочностные характеристики композиционного материала не ухудшаются.
Анализ влияния скорости оплавления показал, что для формирования сплошного покрытия с ровным разливом рациональными скоростями являются 5 и 10 мм/с, при этом композит прогревается на 3000–4000 мкм, а для формирования волнистого или бугристого покрытия – 20 и 25 мм/с, композит прогревается на 2000–2500 мкм.
Рис. 1. Кинетика остывания расплава по толщине:
––– состав № 3; – – – состав № 6;
––– (– – –) на поверхности; ––– (– – –) на глубине 2000 мкм; ––– (– – –) на глубине 4000 мкм
Выводы. В ходе работы предложены составы защитного и декоративного покрытий на основе различных сырьевых компонентов. Определена температура разогрева расплава и кинетика его остывания с целью выявления рациональных скоростей и длительности высокотемпературной обработки для дальнейшего создания защитно-декоративных покрытий.
Выявлены рациональные скорости плазменной обработки композиционного материала для формирования покрытий различной фактуры: для формирования сплошного покрытия с ровным разливом – 5 и 10 мм/с, для формирования волнистого или бугристого покрытия – 20 и 25 мм/с.
1. Strokova V.V., Ogurtsova Y.N., Botsman L.N. Epicrystal modification of construction composites of different purpose with application of granulated nanostructured aggregate // Nanotechnologies in Construction-a Scientific Internet-journal. 2016. Vol. 8. Issue 5. P. 42-59. DOI:https://doi.org/10.15828/2075-8545-2016-8-5-42-59.
2. Строкова В.В., Огурцова Ю.Н., Боцман Л.Н. Влияние характеристик активного компонента на степень пропитки мелкозернистого бетона при эпикристаллизационном модифицировании // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 97-101.
3. Кожухова М.И., Флорес-вивиан И., Рао С., Строкова В.В., Соболев К.Г. Комплексное силоксановое покрытие для супергидрофобизации бетонных поверхностей // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 26-30.
4. Strokova V.V., Baskakov P.S., Ayzenshtadt A.M., Nelyubova V.V. Creation of biocidal coatings using the stabilization of silver nanoparticles in aqueous acrylic dispersions // International Journal of Technology. 2020. Vol. 11. Issue 1. P. 5-14. DOI:https://doi.org/10.14716/ijtech.v11i1.3346.
5. Бондаренко Д.О., Бондаренко Н.И. Способы окрашивания лицевой поверхности строительных материалов // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2019. № 11. С. 174-178.
6. Strokova V., Nelyubova V., Rykunova M. Investigation of fungicidal activity of biocides by method of direct contact with test cultures // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 251. Article number 01018. DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/201825101018.
7. Shekhovtsov V.V., Volokitin O.G., Skripnikova N.K., Volokitin G.G., Semenovykh M.A. Thermal plasma in construction industry // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 688. Article number 012010. DOIhttps://doi.org/10.1088/1755-1315/688/1/012010.
8. Volokitin O., Volokitin G., Skripnikova N., Shekhovtsov V. Plasma technology for creation of protective and decorative coatings for building materials // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1698. Article number 070022. DOI:https://doi.org/10.1063/1.4937892.
9. Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Рrospects of application of low-temperature plasma in construction and architecture // Glass Physics and Chemistry. 2018. Vol. 44. Issue 3. P. 251-253. DOI:https://doi.org/10.1134/S1087659618030185.
10. Volokitin G., Vlasov V., Skripnikova N., Volokitin O., Shekhovtsov V. Plasma technologies in construction industry // Key Engineering Materials. 2018. Vol. 781. P. 143-148. DOIhttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.781.143.
11. Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О., Кочурин Д.В., Брагина Л.Л., Яловенко Т.А. Листовые строительные стёкла с защитно-декоративными покрытиями // Строительные материалы и изделия. 2019. Т. 2. № 1. С. 11-16. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2019-2-1-11-16.
12. Bondarenko N.I., Chuev S.A., Dogaeva L.A., Jalovencko T.A. Chipboards with plasma protective decorative coatings // Materials Science Forum. 2020. Vol. 974. P. 90-95. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.974.90.
13. Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V., Sinitsyn V.A., Vaschenko S.P., Kuz’min V.I. Plasma treatment of wood. Thermophysics and Aeromechanics. 2016. Vol. 23. Issue 1. P. 119-124. DOI:https://doi.org/10.1134/S0869864316010121.
14. Fedosov S.V., Akulova M.V., Shchepochkina Yu.A. Tinting glaze with iron-containing compounds on nonfired inorganic materials // Glass and Ceramics. 2005. Vol. 62. Issue 1-2. P. 30-31. DOI:https://doi.org/10.1007/S10717-005-0026-0.
15. Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О., Бурлаков Н.М., Брагина Л.Л. Исследование влияния плазмохимического модифицирования на макро- и микроструктуру поверхностного слоя автоклавных стеновых материалов // Строительные материалы и изделия. 2018. Т. 1. № 2. С. 4-10. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2018-1-2-4-10.
16. Zdorenko N.M., Bondarenko N.I., Borisov I.N., Izofatova D.I., Dorokhova E.S. Increase of competitiveness of wall construction materials with use of plasma technologies // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2014. Issue 2. 2 р.
17. Бессмертный В.С., Соколова О.Н., Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О., Брагина Л.Л., Макаров А.В., Кочурин Д.В. Плазмохимическое модифицирование блочных теплоизоляционных материалов с декоративным покрытием // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 3. С. 85-92. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5ca1f6331ec888.51255959
