Модифицирующие добавки для сухих строительных смесей (ССС) на основе гипсовых вяжущих

Автор: Василик П. Г., Голубев И. В.
Источник: Журнал Строительные материалы №9, 2002 г.

Хорошо известно, что цементное вяжущее, обладая высокой прочностью на сжатие, имеет сравнительно низкую прочность на растяжение и на изгиб. Для исправления этого недостатка используется много различных способов, одним из которых является армирование цементного камня различными волокнистыми материалами, как органического, так и неорганического происхождения.

С давних пор в строительных материалах применяли асбестовое и древесное волокно. В прошлом веке распространение получили стеклянные, стальные, целлюлозные, полиэтиленовые, полипропиленовые, полиамидные, полиакриловые (ПАН), полиэфирные, углеродные и арамидные (кевларовые) волокна. Все эти типы отличаются не только своими физико-механическими свойствами, стойкостью к воздействию на них агрессивных сред, температур, свето- и атмосфероустойчивостью, но и, что немаловажно, ценой и экологической безопасностью.

Цели армирования сухих строительных смесей волокнами (ССС) можно сформулировать следующим образом:

• увеличение прочности при растяжении и изгибе;
• увеличение ударной вязкости;
• компенсация недостатков фракционного состава;
• увеличение ударной вязкости;
• нижение усадки, которая возникает при затвердевании строительного раствора;
• как следствие, увеличение трещиностойкости (за счет релаксации напряжений в цементном и гипсовом камне, как при процессах кристаллообразования, так и при эксплуатации);
• улучшение тиксотропных свойств и фиксирующей способности (например, в случае плиточного клея противодействие сползанию плитки);
• увеличение морозостойкости;
• увеличение деформационной способности цементного (гипсового) камня;
• облегчение процесса шлифовки (при использовании целлюлозных волокон);
• увеличение износостойкости (при использовании полиакрилового волокна).

Рисунок 1 – Вид волокон при повреждении гпсового (цементного) камня

Эффективность волокон в композициях возрастает с увеличением их длины. Существует понятие критической длины волокна L_кр, до которой напряжение, воспринимаемое собственно волокном в композиции, возрастает и при L = L_кр становится равным прочности волокна. При разрушении композиции, наполненной волокном с L < L_кр, наблюдается выдёргивание коротких волокон из матрицы, т. е. композиция разрушается на границе волокно–цементный (или гипсовый) камень (рис.1). Волокна с L > L_кр сами разрушаются и полностью реализуют всю прочность. Поэтому композиции, армированные волокном с L > L_кр, намного прочнее, чем волокна с L_кр. Чем меньше значение L_кр волокна, тем эффективнее волокно упрочняет матрицу. Теоретически показано, что при L > 10 L_кр волокно в композиции воспринимает на себя до 90 % внешней нагрузки, на практике же это значение возрастает примерно до 100 L_кр. Увеличение длины волокна приводит к упрочнению композиции, однако одновременно с этим увеличивается вязкость раствора, ухудшается перерабатываемость, технологичность, затрудняется процесс ввода в сухую смесь.

Существует ещё один немаловажный фактор, о котором не следует забывать, когда ведётся речь о полимерном волокне — относительное удлинение волокна при разрыве. Как известно, в определённых условиях стеклообразные полимеры могут выдерживать без разрушения значительные деформации (до 80 % у ПЭ). Если величина удлинения при разрыве слишком велика, то мы можем наблюдать разрушение цементного (гипсового) камня без разрушения волокон (рис.2). Это говорит о том, что волокно в такой системе действует максимально эффективно.

Для каждого вида волокон и для каждой композиции L_кр индивидуальна. Существуют оценочные формулы, позволяющие определить L_кр, одна из них имеет следующий вид:

L_кр = 0,5 × у_f × d_ср/ф_м

Где:

L_кр — критическая длина волокна;

у_f — усреднённая прочность волокна;

d_ср — средний диаметр волокна;

ф_м — адгезионная прочность на границе волокно/матрица.

Расчеты показывают, что критическая длина волокна (в зависимости от его природы и природы матрицы) обычно находится в диапазоне от 50 мкм до 1000 мкм, так, например, для стеклянных волокон с d_ср>10 мкм в эпоксидных полах L_кр составляет порядка 150 мкм.

Как видно из уравнения, наиболее простым решением проблемы эффективности волокна является увеличение адгезионной прочности на границе волокно/матрица ф_м. Одним из способов повышения этого показателя для цементных и гипсовых систем является использование редиспергируемых сополимерных порошков Neolith^®, которые образуют полимерные пленки внутри композиционного материала и увеличивают таким образом адгезию как к внешней основе, так и на границе волокно/матрица. При этом значительно увеличиваются такие показатели строительного материала, как водостойкость, морозостойкость, атмосферостойкость и т. д. В совокупности с редиспергируемыми порошками полимерные волокна прекрасно себя проявляют и в системах скреплённой теплоизоляции, и в шпатлёвках и штукатурках, и в системах для устройства полов.

Для увеличения эффективности (для снижения L_кр) поверхность некоторых волокон, например, полиакриловых волокон Ricem^®, подвергают специальной обработке. В результате такой обработки поверхность становится рифлёной с выемкой вдоль волокна (рис.3), что оптимизирует взаимодействие с вяжущим. Но, несмотря на это, ввиду высокой разрывной прочности полиакрилового волокна (до 1 ГПа) по сравнению с цементным камнем (около 0.0037 ГПа), использование данного вида волокна длиной менее 0,5 мм неэффективно.

Рисунок 2 – Полиакрилонитриловое волокно Ricem^®

Основными проблемами использования волокон являются их заметное влияние на вязкость и технологичность строительного раствора, а также сложности при введении в состав ССС. Короткие и средние целлюлозные волокна длиной до 500 мкм достаточно легко перемешиваются в смесителях любого типа. Длинные волокна (более 500 мкм) рекомендуется смешивать в смесителях с высокими скоростями смешения и деагломераторами, при этом достигается равномерное распределение волокон в ССС.

Производителями ССС часто практикуется предварительное смешивание некоторых компонентов сухих смесей. В первую очередь это касается так называемых премиксов песка с армирующими волокнами. Применяя, таким образом, двухстадийное смешение можно добиться достаточно равномерного перемешивания даже самых длинных волокон.

Для снижения вязкости и улучшения технологичности строительных растворов, армированных волокнами, можно использовать высокоэффективные гиперпластификаторы Melflux^®, которые отличаются также противоусадочными свойствами по отношению к цементу. Применение этих продуктов особенно актуально при создании рецептур самовыравнивающихся наливных полов.

Ввиду чрезвычайно широкого ассортимента предлагаемых волокон, остаётся открытым вопрос о поиске наиболее эффективных решений.

При выборе армирующего компонента следует обратить внимание на следующие моменты:

• полиакриловые волокна повышают жесткость и эластичность композиций почти так же, как и стекловолокно, в то время как полиэфирные и целлюлозные волокна повышают жесткость и эластичность в меньшей степени. В отношении стойкости композиций к непрерывным деформациям при повышенных температурах (40 ºC) полиакриловые волокна Ricem^® также превосходят стекловолокно, полиэстер и целлюлозу. Однако процесс шлифовки шпатлёвки могут облегчить только целлюлозные волокна;
• полипропиленовые волокна отличаются сравнительно низкой плотностью, что приводит к некоторому расслоению в процессе приготовления раствора, а также обладают недостаточной морозостойкостью (около −15 ºС);
• целлюлозные и полиамидные волокна обладают ярко выраженными гидрофильными свойствами. Полиакриловые также обладают некоторой гигроскопичностью, но прельщают своей свето- и атмосфероустойчивостью, высоким модулем, хорошо влияют на усталостную прочность, имеют высокое сродство как к гидрофобным, так и к гидрофильным вяжущим.

Таким образом, при создании материалов, где требуется волокно с малым размером, лучше использовать целлюлозные волокна Technocel^®, так как высокопрочное волокно не сумеет полностью проявить свои механические характеристики. При получении высокопрочных материалов, таких, например, как промышленные полы, лучше использовать высокомодульные полиакриловые волокна Ricem^®. Эти волокна прекрасно зарекомендовали себя не только при производстве ССС, но и при производстве битумных дорожных покрытий, при строительстве трасс «Формулы-1» и т. д.

Список источников

1. Принципы создания полимерных композиционных материалов / Берлин, С. А. Вольфсон, В. Г. – М.: Химия, 1990. – 440 с.
2. Сборник аналитических и проблемных задач по курсу «Принципы создания полимерных композиционных материалов. / Под ред. Л. Б. Кандырин, И. Д. Симонов-Емельянов – М.: ЮНИТИ, 1999. – 464 с.
3. Основы технологии переработки пластмасс / Под ред. В. Н. Кулезнёва, В. К. Гусева. – М.: Химия, 1995. – 488 с.
4. От гарцовки — к модифицированным сухим смесям / Под ред. П. И. Мешков, В. А. Мокин. – М.: Издательство АСВ, 1999. – 488 с.
5. Армированные волокнами вяжущие композиционные материалы: вклад полиамидных волокон / Под ред. Доктор М. Сари, Дж. Лекселент. – Санкт-Петербург: Химия, 2001. – 488 с.