Взаимодействие гипса с водными дисперсиями полимеров

Введение полимерных добавок в минеральные вяжущие вещества позволяет направленно изменять некоторые свойства материалов на их основе: повышать прочность, сцепление, сопротивление удару и истиранию, растяжимость, регулировать скорость твердения. Между тем детальное исследование влияния полимерных добавок на процессы гидратации и твердения минеральных вяжущих веществ, их структуру, которые определяют конечные свойства материала, не проводилось.

Каково же взаимодействие между одним из самых простых минеральных вяжущих веществ — гипсом и наиболее часто используемыми в практике водными дисперсиями полимеров — поливинилацетатом и дивинилстирольным латексом СКС-65

Химический состав полуводного гипса следующий в 0,53—Si02; 0,46—А1203; 0,13—Fe203; 38,44—СаО; 2,39—MgO; 47,63—S03; 10,70; 3,78 — гидратированная влага; 0,18 — гигроскопическая влага.

В работе использовали поливинилацетатную эмульсию (ПВАЭ) марки СВ. Ленинградского загодя «Краситель», содержание сухого вещества — 51,4% и латекс СКС-65 ГП марки Б Стерлитамакского завода синтетического каучука, содержание сухого вещества 42.3%. pH = 11,5.

Кинетика структурообразования гипса изучалась на автоматическом коническом пластометре. Твердели составы в воздушно-сухих условиях при нормальной температуре. Для качественной оценки продуктов гидратации гипса (через 28 сут. твердения) применены рентгеновский фазовый и дериватографический анализы. Фазовый анализ выполнялся на установке УРС-50И (при излучении Сика).



Введение водных дисперсий полимеров в систему полу водный гипс — вода существенно меняет кинетику структурообразования, что выражается в увеличении индукционного периода и замедлении скорости структурообразозания. Это связано с возрастанием поламергелеового отношения (П/Г), что наглядно представлено на системе гипс—вода— ПВА (рис. 1). Латекс — более сильный замедлитель твердения (рис. 2). С повышением содержания полимера до П/Г=0,20 растет индукционный период, заметно снижается вторая скорость структурообразования: при ПГ=0; 0,05; 0,1; 0,15 и 0,2 величина второй скорости структурообразования системы составила соответственно 79; 7; 2,4; 1,3 и 0,8 кГ/(см2-ч). В общем пластограммы свидетельствуют о том, что пластометрические кривые отражают суммарный процесс структурообразования, в котором проявляются структурно-механические свойства полимерной и минеральной составляющей.

Причина сильного замедляющего действия стабилизованного дивинилстирольного латекса — торможение процесса физико-химического взаимодействия вяжущего вещества с водой. Это подтверждают излагаемые ниже результаты рентгеноструктурного фазового и дериватографического анализов.

Рентгеновский фазовый анализ системы гипс — пода—полимер (рис. 3) указывает на различие структуры материала в зависимости от вида полимерной добавки. В системе без нее через 1 мес. практически весь полуводный гипс превратился в двугидрат (линии 7,58; 4,27; 3,8; 3,06; 2,87; 2,68; 2,21; 2,07; 1,89; 1,87; 1,809; 1,777 А и др.). Рентгенограмма системы гипс — вода — поливинилацетат с П/Г=0,15 (рис. 3,6) аналогична рентгенограмме гидратированного гипса. На ней четко выражены линии CaS04-2H,0 (7,70; 4,29; 3,81; 3,06; 2,88 А и др.) при отсутствии линий CaSO4-0,5H2O, из чего следует, что ПВА значительно не отражается на процессах гидратации и кристаллизации гипса. Напротив, латекс СКС-65 сильно изменяет характер рентгенограммы гипс— вода. По мере увеличения его концентрации в системе гипс—вода линии, соответствующие полуводному гипсу (5,98; 3,46; 3; 2,8; 1,84; 1,68А), развиваются, в то время как интенсивность линий, характерных для двугидрата, сильно ослабевает и при П/Г=0,15 исчезает совсем, Полученные данные говорят о том, что с введением латекса в систему степень гидратации гипса уменьшается. Если при П/Г=0,05 ПОЛУНОЧНЫЙ гипс гидратируется почти полностью, то при увеличении П/Г до 0,1 процесс образования кристаллов двугидрата значительно подавляется, а при П/Г=0,15 кристаллический двугидрат даже через 1 мес. методом рентгеновского разового анализа не обнаружен.


Согласно дериватографическим исследованиям, введение полимера в систему гипс — вода оказывает большое влияние на состав структурных новообразований материала. На дифференциальной кривой системы гипс — вода — ПВА с П/Г=0,15 (рис. 4) помимо эндотермических эффектов дегидратации двуводного гипса (180 и 220°С) появляются новые экзотермические эффекты (425 и 460°С). Сопоставляя рассматриваемую дериватограмму с деркватограммой ПВА (рис. Б), указанные экзотермические эффекты на дериватограмме гипс—вода — ПВА можно объяснить окислением полимерной фазы.

Добавка латекса в систему гипс—вода вызывает более сильные изменения на дериватограммах (рис. 6). Уже при П/Г = 0,5 появляются новые эффекты; экзотермический (420°С) и эндотермический (460°С); в системе с П/Г=0,10 отмечаются экзотермический эффект (445°С) и Два эндотермических (430 и 485°С). При П/Г=0,15 они развиваются еще сильнее: имеются глубокие эндотермические эффекты (318 и 452°С) и очень сильный экзотермический (560°С). Сравнение дериватограмм системы гипс—вода—латекс с дериватограммой исходного латекса (рис. 5) позволяет связать указанные термические эффекты с присутствием полимерной добавки в системе гипс—вода.

На дериватограммах системы гипс— вода—латекс с П/Г=0,05—0,1 ярко выражены эндотермические эффекты при 170—180 и 215—220°С, соответствующие дегидратации двуводного гипса. при П/Г=0,15 на дифференциальной кривой обнаруживается только один эффект—при 197°С, отвечающий переходу двугидрата в полугидраг. Четкого эффекта дегидратации полуводного гипса нет. Интересны термогравиметрические кривые. В системе без полимерной добавки с полной гидратацией гипса связалось 12% воды, в системе же с П/Г=0,15 дегидратация гипса сопровождается потерей всего лишь 4,8% воды, что дает возможность считать прогидратировавшимся около 40% полуводного гипса. Важно отметить, что этот гипс не обнаруживается методом рентгеновского фазового анализа. Но так как наличие двуводного гипса в системе с П/Г=0,15 подтверждается дериватографическими исследованиями и косвенным образом проявляется при твердении системы (схватывание завершается через 4,2 ч), можно предположить, что он находится не в обычном кристаллическом, а в келтонднеамерфном состоянии. Такие гидратные новообразования ранее не отмечались.

Исследования позволили внести дополнения в представления о структуре полимер-минеральных материалов, принимая за основной критерий полимервяжущее отношение (П/В). При малом П/В сросшиеся кристаллогидраты минерального вяжущего вещества создают кристаллизационную структуру; образовавшийся жесткий скелет укрепляется в дефектных точках полимером, что приводит к повышению прочнеет и эластичности материала. В случае большого П/В создается непрерывная пространственная структура, которая имеет тем большую жесткость, чем больше и лучше развиты кристаллические образования. Количество полимера, способное создать непрерывную фазу, определяется в основном величиной частиц. Так, для латекса, имеющего размер частиц 0,8+0,1 мкм, оптимально П/В=0,1, а для ПВА с величиной частиц 2—5 мкм — П/В=0,15—0,2.

На основании полученных данных фазового анализа и дериватографии можно считать, что минеральное вяжущее вещество дисперсировано в полимерной фазе в виде гидратов не только кристаллического, но и рентгеноаморфного характера. Таким образом, в процессе твердения полимер-минеральных материалов происходит как образование кристаллизационного каркаса, так и армирование полимера аморфными гидратами. Такими новообразованиями можно объяснить высокие эксплуатационно-технические свойства полимер-минеральных материалов.