Акустический гипс

Таким образом, установлено, что из исследованных газообразующих добавок кислотного характера (сильных кислот и их солей, кислот средней силы) наиболее высокие физико-механические свойства газогипса обеспечивает использование в качестве газообразователя щавелевой кислоты, а в качестве карбонатной добавки доломита. Соотношение газообразователь: карбонатная добавка составляет 1:1,5. Время перемешивания смеси не должно превышать 90с.

01.4 Структурообразование  газогипса на основе перекиси  водорода

Как уже отмечалось выше, при использовании в качестве порообразователя добавок  кислотного характера ( сильных кислот и их солей, кислот средней силы), вводимых совместно с карбонатной составляющей не всегда возможно получить газогипс прогнозируемой плотности. Это связано с тем, что реакция газообразования, как правило, начинается непосредственно после ввода кислотной добавки и контакта ее с карбонатной составляющей смеси. Использование в качестве карбонатной добавки доломита (СаСО₃×MgСО₃) вместо кальцита (СаСО₃) позволяет незначительно замедлить реакцию (~на 15-20 сек).

Для получения материала  с технологически обоснованными  сроками газообразования  и прогнозирующими физико-механическими свойствами целесообразно использовать газообразователь, не зависящий от минералогического состава гипсовой смеси (от вида и количества в ней карбонатной составляющей). Таким газообразователем может быть перекись водорода (Н₂О₂), которая в щелочной среде, при наличии катализатора, разлагается по реакции:

2Н₂О₂®2Н₂О+О₂­

Щелочность среды для  полного протекания реакции должна быть в пределах рН=9-10. Такую среду можно создать низкоконцентрированным раствором NaОН с концентрацией 0,1-0,2N (т.е. 0,1-0,2 моля/л).

 Технологические преимущества перекиси водорода состоят,  в том, что в зависимости от вида и количества катализатора можно целенаправленно регулировать сроки вспучивания газогипсовой массы, применительно к возможностям технологического оборудования.

Катализаторами могут  служить соли кобальта, марганца, хрома, меди, железа, свинца и др.

На рисунке 5 показана кинетика газовыделения. При экспериментах количество перекиси водорода составляло 1,0% от массы гипсового вяжущего. Для эксперимента выбраны водорастворимые соли.

Из приведенных данных (рисунок 6) видно, что наиболее эффективными катализаторами являются соли марганца, кобальта и свинца. Остальные добавки действуют на перекись водорода очень медленно, в течение времени  превышающем сроки схватывания гипсового вяжущего.

Наиболее экономически достижима добавка МnCl₂ и скорость газообразования на этой добавке максимальна.

В зависимости от количества введенного в гипсовый раствор МnCl₂ время газообразования будет изменяться. В случае недостатка МnCl₂ время разложения Н₂О₂ и газообразования может превышать время схватывания гипсового вяжущего, в результате чего могут образовываться трещины в объеме газогипса и снижаться прочность. В случае избытка МnCl₂ процесс газообразования может ускориться настолько, что вспучивание газогипсовой массы произойдет до ее укладки в форму. Поэтому необходимо выбирать количество катализатора исходя из условий полного согласования сроков схватывания гипсового вяжущего и сроков  вспучивания газогипсовой смеси.

Кинетика газовыделения  приведена на рисунке 6. Из рисунка 6 видно, что при количестве МnCl₂³0,1% от массы Н₂О₂ происходит затухание процесса газовыделения в пределах сроков схватывания высокопрочного гипсового вяжущего Г13 (2-3 мин). В случае работы со строительным гипсом марки Г4, у которого время схватывания составляет 5-6 мин, количество добавки необходимо увеличить до 0,12-0,15% от массы Н₂О₂.

Важным фактором влияющим на кинетику вспучивания является температура компонентов и окружающей среды. Чем ниже температура компонентов, тем медленнее идет  процесс разложения Н₂О₂ и медленнее протекает процесс вспучивания газовой массы. Наиболее полно реакция протекает при температуре t³20⁰С. Необходимо отметить, что дальнейшее повышение температуры выше 20⁰С практически не изменяет кинетику газовыделения (рисунок 7). Скорость газообразования можно в некоторой степени увеличить путем повышения щелочности среды, повышая водородный показатель рН=12 (кривая 6, рисунок 7). При проведении экспериментов количество МnСl₂ было постоянным и составляло 0,06% от массы Н₂О₂.

Для стабилизации газовых  пузырьков и снижения деформаций расширения при гидратации и раннем твердении можно использовать добавки глицерина в количестве ~0,5% от массы гипсового вяжущего.

Состав газогипсовых смесей на основе Н₂О₂ и их свойства приведены в таблице 8.

 

Таблица 8 – Состав и  свойства газогипса на основе Н₂О₂

 

Марка вяжущего	Расход добавок, % от массы гипсового вяжущего			Плотность, кг/м3	Прочность, МПа
	Н2О2	МnCl2	NaОН		Rизг.	Rсж.
Г4	0,1 0,25 0,5 1,0 1,5	0,001 0,001 0,001 0,0014 0,0016	0,008 0,008 0,010 0,014 0,14	1170 910 696 576 420	4,6 3,2 1,8 0,9 0,3	8,8 5,6 3,6 2,4 0,9
Г13	0,1 0,25 0,5 1,0 1,5	0,001 0,001 0,001 0,0014 0,0016	0,008 0,008 0,010 0,014 0,0014	1094 974 754 488 441	4,7 3,7 2,9 1,6 0,9	15,2 9,5 4,6 2,4 1,9

 

На основании проведенных  исследований была изготовлена лабораторная партия газогипса (приложение А). Свойства образцов приведены в приложении Б. Прочность газогипса в зависимости от марочной прочности гипсового вяжущего и его средней плотности приведена в таблице 9.

 

Таблица 9 – Предел прочности  при сжатии газогипса в зависимости  от его средней плотности и  марки гипсового вяжущего

 

Марка гипсового вяжущего	Предел прочности при  сжатии, МПа при плотности, кг/м3
	400	500	600	700	800	900	1000
Г4	0,9	1,3	2,4	3,0	4,1	5,6	6,2
Г7	1,3	1,8	2,7	3,4	4,4	6,0	7,9
Г13	1,9	2,4	3,0	3,7	4,6	6,8	9,5

 

Как видно из данных таблиц 8 и 9 и приложения Б прочность газогипса в первую очередь зависит от  марочной прочности гипсового вяжущего. При одинаковой плотности предел прочности газогипса на основе высокопрочного гипсового вяжущего (a- полугидрата сульфата кальция примерно в 1,5 раза выше, чем на основе строительного гипса (b- полугидрата сульфата кальция). В общем случае зависимость R=f(g)  можно аппроксимировать функцией вида:

R= К gⁿ

где К – коэффициент пропорциональности численно равный пределу прочности  конкретного материала при средней плотности g =1000 кг/м³;

        n – показатель нелинейности.

Для гипсового вяжущего марок Г7 и Г13 с высоким содержанием  полугидрата сульфата кальция показатель степени нелинейности n=3. Для строительного гипса Г4, изготовленного из гипсового камня 2-3-го сорта с большим количеством примесей этот показатель равен 2. Коэффициенты К для марок соответственно равны 11,0; 7,0 и 5 для газогипса на основе марок Г-13; Г-7 и Г-4 соответственно.

01.5 Исследование влияния структуры  газогипса на его свойства 

На физико-механические свойства  газогипса в значительной степени оказывает влияние поровая структура образцов (таблица 10).

 

Таблица 10 - Размеры пор и толщины  перегородок газогипса 

 

Марка вяжущего	Количество газообразователя, % от гипсового вяжущего	Плотность, кг/м3	Средняя толщина перегородки между порами, мм	Размеры пор, мм
				min	maх	средний
Г4	0,1 0,25 0,5 1,0 1,5	1170 910 696 576 420	0,70 0,60 0,50 0,50 0,30	0,05 0,10 0,17 0,17 0,4	0,9 1,5 1,5 1,9 4,2	0,21 0,50 0,62 0,76 1,5
Г13	0,1 0,25 0,5 1,0 1,5	1094 974 754 458 441	0,75 0,70 0,65 0,60 0,40	0,04 0,10 0,1 0,3 0,4	0,6 1,25 1,6 3,3 5,4	0,15 0,62 0,8 1,7 2,0

 

Макроструктура газогипса  на основе строительного гипса Г4 приведена на рисунках 8-10, а высокопрочного гипсового вяжущего Г-13 на рисунках 11-12. Для получения сопоставимых данных съемка всех образцов производилась при одном увеличении, равном 100. Анализ данных таблицы 10 и рисунков 8-12 показывает, что марка использованного для изготовления газогипса, оказывает значительное влияние на структуру образцов и, тем самым, определяет их физико-механические свойства.

Для газогипса на основе строительного гипса марки Г4 сферические поры наблюдаются только при вводе газообразователя в  количестве до 0,25% от массы гипсового вяжущего (рисунок 8). Увеличение количества газообразователя до 0,5 и далее до 1,5% приводит к изменению формы пор. Поры деформируются, превращаясь в овальные и  продолговатые. С увеличением количества газообразователя не только утончается перегородка между порами, но и увеличивается степень ее дефективности (рисунки 9 и 10). Кроме того, необходимо отметить, что при увеличении количества газообразователя от 0,5 до 1,5% для образцов на строительном гипсе Г4 увеличивается количество сквозных (незамкнутых) пор. Такие дефекты макропористой структуры приводят к снижению прочностных характеристик газогипса.

При использовании высокопрочного гипсового вяжущего Г-13 наблюдаются следующие особенности структуры газогипса по сравнению с таковой на основе строительного гипса Г-4 (рис.11, 12):

- увеличивается средняя толщина межпоровой перегородки при одновременном уменьшении степени ее дефективности;

- сферическая форма  пор и их замкнутая структура  сохраняются при больших количествах  газообразователя (до 1%), что позволяет  получать газогипс низкой плотности при сохранении прочностных показателей.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение 

 

Разработаны составы и исследованы  свойства образцов на основе различных типов газообразователей: солей сильных кислот (АlCl₃ и Аl₂(SO₄)₃×18 Н₂О), сильных кислот (Н₂SO₄, НCl и Н₃РО₄), кислот средней силы (сульфосалициловой, лимонной, винной, малоновой, уксусной, малеиновой и щавелевой), вводимых совместно с карбонатсодержащей добавкой (мел и доломит).

Установлено, что ввод доломита в  качестве карбонатной добавки увеличивает прочностные показатели газогипса. Получен газогипс с плотностью до 600 кг/м³ и прочностью 1,5-4,0 МПа (в зависимости от марки гипсового вяжущего) при использовании в качестве газообразователя щавелевой кислоты, а карбонатной добавки – доломита. Определено, что оптимальное  соотношение газообразователь : карбонатная добавка  составляет 1:1,5.

Установлено, что при использовании  в качестве газообразователя сильных кислот и их солей газообразователь необходимо вводить  в воду затворения, а карбонатную составляющую вводить совместно с гипсовым  вяжущим. При использовании в качестве газообразователя щавелевой кислоты последовательность ввода компонентов не оказывает влияния на физико-механические свойства образцов. При этом время перемешивания смеси не должно превышать 90 секунд.

Исследовано влияние  различных  катализаторов на процесс вспучивания  смеси на основе перекиси водорода и процесс газовыделения кислорода. Установлено, что оптимальным является ввод в сырьевую смесь в качестве катализатора МnCl₂ в количестве 0,006% от массы гипсового вяжущего.

Разработаны составы, выпущена и испытана опытная партия газогипса (акт выпуска  от 15.052006г, протокол испытаний №5035 от 22.052006г) на основе гипсового вяжущего разных марок и перекиси водорода в качестве газообразователя. На основе высокопрочного гипсового вяжущего (марок Г10-Г13) получен газогипс с плотностью 400 кг/м³ и прочностью 2,0 МПа. На строительном гипсе Г4 при такой же плотности прочность образцов 2 раза меньше. Установлено, что марка гипсового вяжущего определяет физико-механические свойства газогипса, а также степень дефектности его структуры. Диаметр пор определяется количеством газообразователя, вводимого в сырьевую смесь