Свойства полимергипсовых вяжущих и изделий на их основе

Сочетание синтетических смол с минеральными вяжущими веществами (цементом, гипсом) открывает широкие возможности для Создания ряда новых материалов, обладающих весьма ценными физико-механическими свойствами. Так, изделия из полимергипса отличаются от обычных гипсовых строительных деталей и конструкций повышенной прочностью, водо- и атмооферостойкостью, пониженной водопроницаемостью. Это подтверждено рядом экспериментальных работ.



Исходя из того, что полимергипсовые композиции отличаются от обыкновенных гипсовых материалов многими новыми качествами, некоторые исследователи предполагают, что при взаимодействии гипса с фенольными смолами образуются новые органоминеральные соединения, участвующие в процессах структурообразования полимергипса. Другие считают, что в механической смеси этих компонентов смола лишь заполняет поры твердеющего гипсового камня, обеспечивая уплотнение материала п частичную защиту кристаллов двуводного гипса от воздействия влаги.

Для выяснения природы и структурных особенностей полпмергипсовых композиций нами совместно с лабораторией физико-химических исследований ВНИИНСМа проведены термографические, рентгеноскопические и микроскопические исследования. Для термографического и рентгеноскопического анализов использовался химически чистый полуводный гипс и полимергипсовые композиции с 5 и 25%-ным содержанием фенолоспирта (от веса гипса).

Результаты термографического анализа (рис. 1) показали, что в интервале температур 20—430° имеется одинаковый экзотермический эффект Затем наблюдается постепенное изменение характера и величины экзотермического эффекта. При температуре 840° появляется эндотермический пик, что свидетельствует о возможном взаимодействии гипса со смолой. Для технологии получения полимергипса это обстоятельство вряд ли может иметь какое-либо практическое значение, поскольку термообработка материала производится обычно при температурах, не превышающих 110—120°.

Рентгеноскопический анализ чистого гипса и полимергипса, содержащего 25% фенолоспирта (рис. 2), выполненный на установке УРС-504, выявил полное совпадение рентгенограмм, если не считать несколько большую плотность фона в области малых углов у полимергипса.

Микроскопические исследования структуры материала с помощью электронного микроскопа потребовали специальной подготовки образцов. Полимергипсовые кубы, изготовленные с применением двух видов фенолформальдегидных смол—фенолоспирта и НСМ-11, высушивали и подвергали термообработке при температуре 110° в течении 4 час Из этих образцов предварительно готовились ан- шлифы, поверхность которых для полного выявления структуры смолы протравливали и соляной кислотами. Затем с обработанной поверхности снимались двухсторонние кварцевые реплики, напыляемые в вакууме хромом.

На снимке субмикроскопической структуры образца, содержащего небольшую добавку полимера (рис. 3, о), заметны тончайшие (0,01 мк) прослойки смолы между кристаллами гипса (центр снимка), а также отдельные участки структуры полимера (отмечено крестом). С увеличением количества полимера в наблюдается все более потное обволакивание им кристаллов гипса (рис. 3, б).


Следует сказать, что прн введении относительно больших количеств смолы (более 20%) требуется очень тщательное перемешивание массы, чтобы предотвратить образование отдельных сгустков полимера (рис. 3, в), ведушее к значительному снижению прочности материала. (Образцы, содержащие 25% смолы НСМ-11, показали прочность при сжатии всего 108 кг/см2 против 288 кг/см2 у контрольных образцов, изготовлявшихся с более тщательным перемешиванием Macdbi).

Таким образом, термический, рентгеноскопический и микроскопический анализы свидетельствуют о том, что химическое взаимодействие гипса с фенольными смолами вероятно отсутствует.

Однако физико-механические показатели полимергипсовых изделий, в частности предел прочности при сжатии, оказываются значительно выше, чем, скажем, в изделиях, где гипс заменяется каким- либо иным, менее активным вяжущим или инертным материалом.

Применение гипса для приготовления полимерных материалов определяется не только возможностью получать изделия более высокой прочности, но также и тем, что за счет быстрою твердения в ранние сроки можно производить немедленную распалубку изделий и термообработку без форм. Весьма важное значение это имеет для поточного производства строительных конструкций и деталей- на прокатных станах или на конвейерах, применяемых при изготовлении сухой гипсовой штукатурки.

Сроки схватывания и прочностные показатели полимергипса в начальный период твердения определялись нами на образцах из водогипсового теста нормальной густоты с добавками смол СП 2, НСМ- 11 и феиолоспирта в количестве 5—30% от веса гипса. Учитывая пластифицирующие свойства смол, водогипсовое отношение, необходимое для получения теста нормальной густоты, в этом случае будет несколько ниже обычного (0,3 вместо 0,53 без добавки смолы). Результаты испытаний образцов приведены в табл. 1.

Фенолоопирт и смола НСМ-11, введенные в состав смеси в любом количестве, замедляют схватывание гипса. Особенно сильным замедлителем является смола НСМ-11. Смола СП-2 при добавке ее в количестве менее 30% ускоряет схватывание, а при больших дозировках замедляет этот процесс.

Если сравнить прочность образцов из гипсового теста, твердевших в течение 1 часа (45 кг/см2), с прочностью аналогичных образцов, содержащих добавки полимеров, то можно сделать вывод, что минимальная дозировка смол, не оказывающая влияния на снижение прочности полимергипса в ранние сроки твердения, составляет для феиолоспирта 15%, для смолы НСМ-11 — 10% и СП-2 — 5% (табл. 1)

Для достижения распалубочной прочности изделий (10—12 кг/см2) максимальные дозировки смол могут быть: 25% феиолоспирта, 12—15% смолы НСМ-11 или СП-2 (от веса гипса).


Исследования показали, что физико-механические свойства полимергипса в ряде случаев изменяются в зависимости от содержания в фенолформальдегидных смолах свободных примесей фенола, формалина, уротропина и метилового спирта. Для выяснения влияния этих компонентов на прочность и сроки схватывания полимергипса -вводилось такое количество (максимальное и минимальное) этих добавок, которое обычно содержится в смолах заводского производства.

Влияние добавок фенола и формалина на свойства получаемого материала показано в табл. 2.


Присутствие свободного уротропина в количестве до 5% приводит к снижению прочности материала при сжатии почти на 70% и при растяжении—на 62%. Уротропин на сроки схватывания почти никакого влияния не оказывает.

Метиловый, спирт, содержащийся в фенолформальдегидных смолах в количестве, не превышающем 0,25%, не оказывает практического влияния ка сроки схватывания полимергипса и несколько увеличивает его прочность при сжатии (на 18%) и растяжении (до 25%).

Итак, все свободные примеси фенолформальдегидных смол (кроме метилового спирта) способствуют снижению прочностных показателей полимер- гипса. Особенно вредное влияние на прочность оказывает свободный формалин, содержание которого смоле вообще не желательно. Допускаемое количество фенола не должно превышать 1,5% от веса гипса.

Самое серьезное внимание в производстве изделий на основе полимергипса должно уделяться тщательному перемешиванию компонентов и выбору оптимального режима термообработки

Неравномерное распределение смолы между кристаллами гипса, как показали исследования, приводит к резкому снижению прочности материала. Другой результат плохого перемешивания — образование трещин на поверхности полимергипсовых изделий при их водой насыщении, вызываемое

неравномерным изменением объема гипса вследствие неодинакового распределения затвердевшей смолы.

При производстве полимергипсовых материалов рекомендуется сначала тщательно смешивать водную дисперсию полимера с полуводным гипсом, а затем прибавлять инертный заполнитель (песок, мелкий щебень) и вновь перемешивать все компоненты с добавлением воды до получения массы, обладающей «обходимой. удобоукладываемостью. Приготовлять полимергипсовую массу следует к растворомешалке с принудительным перемешиванием или в специальных вибросмесителях.

Как известно, все фенолформальдегидные смолы являются термореактивными, поэтому изделия из полимергипса должны подвергаться тепловой обработке до полной полимеризации смолы.

Для выбора оптимального теплового режима в процессе проводившихся нами опытов изменялись скорость подъема температуры, время сушки, температура и время термообработки. Во всех случаях образцы выдерживали в форме в течение 1 часа до начала прогрева. Предварительная сушка производилась при температуре до 50° в течение 4—8 час.. термообработка—при 100—110, 120 и 150° от 4 до 5 час.


Опыты показали, что оптимальным является следующий режим: предварительная сушка при 20° — 1 час. и при 50° -8 час., термообработка при 100°— 5 час. Кроме того, рекомендуется дополнительно прогревать изделия, в составе которых содержится более 25% фенолоопирта, в течение 2 час. при 120s и более 20% смолы НСМ-11 —1,5 час. при 100°.

Многочисленные опыты подтверждают что режим термообработки оказывает решающее влияние на прочность полимергипса.

Прочность гюлимергипсовых материалов на различных смолах, обработанных при оптимальном температурном режиме, приведена в табл 3 и на графике (рис. 4).


Полимергипсовые материалы отличаются низким водопоглощеннием. Оно резко уменьшается с увеличением содержания смолы. Если у обыкновенных гипсовых изделий водопоглощение достигает 30— 35%, то у полимергипса с 5%-ной добавкой смолы НСМ-11 или фенолоспирта оно составляет 15—46%, а с 25%-ным содержанием этих смол— 1,3—1,7%.

Характерная особенность полимергипсов — высокая водостойкость и морозостойкость. Коэффициент размягчения образцов, содержащих 25% фенолоспирта, достигает 0,9, а при таком же количестве смолы НСМ-11—0,82. Испытания на морозостойкость показали, что после 25 стандартных морозосмен образны с добавками смолы НСМ-11 и фенолоспирта в количестве более 15% практически не обнаруживают потерь прочности и веса.

Очень интересны диэлектрические характеристики этого нового материала. Совместно с лабораторией электротехнических и радиотехнических материалов Московского энергетического института нами проведены испытания плиток размером 120Х120 мм, изготовленных из полимергипса на смоле НСМ-11 и фенолоспирте, прошедших термообработку. При нормальных условиях (температура 20°, относительная влажность 65%) определялись удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, пробивная напряженность, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, пробивное напряжение полимер гипса.

Испытания показали, что удельное объемное сопротивление, пробивная напряженность и диэлектрическая проницаемость этого материала значительно выше, чем у таких диэлектриков, как мрамор или асбестоцемент. Это дает право рекомендовать полимергипсовые материалы для применения в качестве оснований распределительных электрощитов, панелей рубильников и пускателей для установок низкого напряжения (до 380 в).

Результаты проведенных исследований, свидетельствуют о там, что при правильном подборе состава полимергипса, последовательно проведенном перемешивании компонентов и оптимальном режиме термообработки можно получать материалы, которым свойственны быстрое твердение в ранние сроки, высокие прочностные качества, повышенная водо- и атмосферостойкость, низкое водопоглощение.

Сочетание таких качеств делает применение полимергипса особенно перспективным в условиях индустриального производства различных строительных конструкций и деталей.

Одним из существенных препятствий, сдерживающих пока широкое использование полимергипса, является сравнительно высокая стоимость фенолформальдогидных смол. Однако в дальнейшем, то меде ввода в строй предприятий большой тмин, стоимость этих смол будет все больше Снижаться, и потимергипсовые материалы несомненно найдут массовое применение в строительстве.