Главная / Гипсокомпозит

  «СУХИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СМЕСИ» №6, 2019 г. (стр.12-15).
(н.т. журнал ЦНТИ «КОМПОЗИТ XXI век»)

Гипсокомпозит-перспективный строительный материал.

А. Н. ЦЫПЛАКОВ,
директор по развитию совместного предприятия ВГТУ и ООО НПО «Неотэк»

Г. И. ЧЕРНОУСЕНКО,
член Академии строительства Украины, представитель ООО «Композит XXI век» в ЮФО РФ и Украине,
сотрудник НПО «Стройтехавтоматика».

 

Авторы статьи делятся результатами
опытно-экспериментального строительства
на основе гипсовых материалов.

Заявление воронежских ученых и специалистов, которое послужило названием настоящей статьи, было сделано на международной конференции «Baltimix», которая прошла 20-22 августа 2019 г. в Воронеже. Авторы – разработчики инновационных материалов и технологий строительства на гипсовом вяжущем, рассказали широкой аудитории не только об удивительных характеристиках изделий и конструкций по прочности, теплопроводности, огне-, влаго- и морозостойкости, но и продемонстрировали ряд объектов, построенных за прошедшее десятилетие по различным технологиям с использованием гипса.
А последующая экскурсия на реальные объекты показала, что новый строительный материал и технологии его применения состоялись.

Набор оригинальных технических, технологических и проектно-конструкторских решений, наработанных в ходе многолетнего опытно-экспериментального строительства, следует считать лишь основой для дальнейшего изучения, освоения и широкого применения в строительной практике гипсового вяжущего. Эти новые решения не появились в одночасье из ниоткуда. Поэтому предлагаем сделать экскурс в недалекое прошлое.

Воронежская научная школа строительного материаловедения имеет богатую историю. Одна из заметных страниц связана с темой ячеистых бетонов. Следует вспомнить имя профессора Помазкова В.В., который многие годы изучал и продвигал в строительную практику технологии поризованных бетонов, а также деятельность члена РААСН, профессора Чернышова Е.М., который вносит заметный вклад в технологии автоклавных газосиликатных и других ячеистых строительных материалов.

Научно-практические результаты с использованием цементного вяжущего стали основой для дальнейшей разработки новых свойств в смесях на гипсовом вяжущем и их применения. Новые свойства удалось получить за счет использования высокоскоростных (до 1000 об/мин) смесителей турбулентного типа под избыточным давлением (баротехнология), а также специальных химических добавок – модификаторов на основе поверхностно-активных веществ комплексного действия.

В этом плане первое определяющее событие произошло в 2002 году, когда группа ученых и специалистов из Москвы привезла в Воронеж сухие смеси для проведения эксперимента одним из авторов этой статьи. На специальном смесителе с рабочим объемом V=0,25 м³ удалось продемонстрировать возможности управления процессом приготовления гипсовых смесей по трем характеристикам:
− плотности;
− времени начала и длительности процесса схватывания;
− подвижности и удобству укладки.

В дополнение к этому была продемонстрирована работа оригинального прибора для экспрессного неразрушающего контроля прочности ячеистых бетонов.

Как оказалось, гости, приехавшие на эксперимент, не в полной мере восприняли и поняли один из главных параметров управления в процессе приготовления гипсовых смесей. Он заключался в широком диапазоне количества воды затворения. Мы научились, что и было заявлено на воронежской конференции, варьировать водогипсовое (В/Г) отношение в диапазоне от 0,5 до 2,0 (и выше). Вместе с этим управляющим параметром стало использование специальных химических добавок и микрозаполнителей, что позволило в дальнейшем изучить, понять и стабильно получать новый композитный материал на гипсовом вяжущем с требуемыми свойствами для выполнения широкого набора общестроительных и отделочных работ.

Вторым определяющим событием стал приход в строительство в 2006 году А. Н. Цыплакова, имевшего медицинское образование и опыт военного. Видимо, особое отношение к гипсу (в традициях медицины), не зашоренное традиционными представлениями профессиональных строителей о гипсах, позволяло ему выходить за рамки обычного применения гипса. Увлеченность, целеустремленность и способность брать риски на себя позволили ему получать необычные результаты, осмысливать их, учиться и применять накапливаемые знания и опыт вначале для производства штучных стеновых материалов, а в дальнейшем и для выполнения различных общестроительных и отделочных работ.

Перечислим некоторые из наработанных результатов, дадим пояснения и комментарии к ним.
Первым видом строительной продукции из гипса стали межкомнатные пазогребневые панели (ПГП). Образцом для подражания были панели, разработанные по технологиям фирм KNAUF и VOLMA.
Ставилась цель сделать их значительно легче, сохранив уровень точности по геометрическим размерам и по прочности. Это удалось осуществить в диапазоне плотностей D 700-900 кг/м³. Эта продукция была позитивно воспринята рабочими (легче и быстрее производить кладку перегородок) и быстро расходилась по десяткам объектов в коттеджных поселках на окраинах города Воронежа.

Способствовал активному развитию и такой факт, что производством нового материала, почти одновременно с А. Н. Цыплаковым, стал заниматься военный строитель (аэродромщик) А. Е. Могулев. Впоследствии он перешел на работу с пуццолановым вяжущим, которое также имеет ряд конкурентных преимуществ.

В поисках новых решений А.Н. Цыплаков постепенно стал применять проектно-конструкторские и технологические продукты, наработанные на цементном вяжущем по технологиям строительной системы «Монопор». Так, появились на ряде объектов гипсовые облегченные и утепляющие стяжки под полы, монолитное исполнение ограждающих стен в домах, а далее многослойные перекрытия и даже монолитные крыши. После экспериментирования с химдобавками и микрозаполнителями стало реальным применение гипсов при исполнении фундаментов.

Уверенность к авторам новых решений с использованием гипса пришла после подтверждения параметров по прочности (кубиковой, по модулю упругости) в десятки раз превосходящих известные аналоги                    (см. табл. 1), а также полученные высокие показатели по влагостойкости и морозостойкости.

Табл. 1

№  метка образца  толщина(мм)  ширина(мм) площадь (мм²) max нагр.(kN )  сопр.сж.(MPa)

1.     1Н-Х 22.08            62,50                40,00               2500,00             291,04                116,42
2.     1-2Н-Х 22.08         62,50                40,00               2500,00             260,15                104,06
3.     2Н-Х 25.08            62,50                40,00               2500,00             151,83                 60,73
4.     2-2Н-Х 25.08         62,50                40,00               2500,00             154,24                 61,70
5.     3Н-Х1 22.08          62,50                40,00               2500,00              254,24                101,83
6.     3-2Н-Х1 22.08       62,50                40,00               2500,00              227,18                 90,91
7.     4Н-Х2 23.08          62,50                40,00               2500,00               86,81                  34,72
8.     4-2Н-Х2 23.08       62,50                40,00               2500,00               70,49                  28,20
9.           5-1                   62,50                40,00               2500,00              146,69                 58,68
10.         5-2                   62,50                40,00               2500,00              149,45                 59,78

Средн.знач.                 62,50                40,00               2500,00              179,26                 71,70

Коэф.вариации         0,00000            0,00000             0,00000             41,88079            41,88079

Это все дополнялось несомненной экологичностью материала и привлекательной экономической эффектиностью.

Однако для масштабного продвижения на строительный рынок этих результатов оказалось недостаточно. Требуется еще наличие нормативных документов, иначе проектировщик не заложит новые материалы и технологии строительства в свои проекты. А процесс разработки нормативной базы (не быстрый и недешевый) требует тщательных, длительных и затратных научных изысканий, а также проверки их в натурных экспериментах. Таких научных исследований явно недостаточно, но построенные экспериментальные объекты уже сейчас позволяют авторам сделать ряд предположений, гипотез и объяснений.

Начнем с констатации известных достоинств гипса – это быстротвердеющее и безусадочное вяжущее. В отличие от цемента, который представляет собой многокомпонентное вяжущее, состоящее из набора оксидов разных химических элементов в клинкере, гипс имеет преимущественно монокомпонентный состав.
У этих вяжущих различны молекулярные матрицы в процессе формирования структуры кристаллогидратов, что и обусловливает их различия по эксплуатационным параметрам (долговечность, прочность, влагостойкость и др.).

У каждого материала есть как свои достоинства, преимущества, так и недостатки. Но возникают вопросы, можно ли достоинства усилить, а недостатки хотя бы минимизировать? И оказалось, что для гипсового вяжущего это возможно. За счет чего это удалось сделать авторам?

Во-первых, за счет доверия объективным законам самоорганизации в природе.

Во-вторых, накопленному наукой набору знаний о процессах гидратации.

На основе этих составляющих в ходе экспериментов специалисты учились управлять структурой монокомпонентного вяжущего в процессе гидратации.

Эффекты проявлялись при замене химдобавок, при использовании различной фибры, при вариациях количества воды затворения и др.
Так, вылавливая позитивные эффекты, оптимизируя состав и рецептуры смесей, авторы создали гипсокомпозит как новый перспективный строительный материал.

Отличительными особенностями его от традиционных гипсовых материалов являются:
- во-первых, преобладание в объеме закрытой структуры воздушных пор и минимальное наличие капиллярных каналов в массиве материала даже для самых легких по плотности рецептур;
- во-вторых, создание стабильной кристаллической структуры в широком диапазоне расстояний между молекулами кристаллогидратов за счет различного удельного объема воды и воздушных пор в приготавливаемой смеси, а в итоге и в гипсовом камне.

Как видите, в обоих пояснениях мы использовали понятие «воздушная пора».
Да, именно это во многом объясняет новые материаловедческие и технологиченские эффекты.

Воздушная пора – это сферический пузырек малых размеров (d≤1 мм), формируемый в процессе перемешивания смесей с помощью поверхностно активных веществ (ПАВ) за счет сил поверхностного натяжения воды.

Авторы уже не первый раз заявляют гипотезу, что эта воздушная пора представляет собой многогранник сферической формы, который является водно-воздушным фуллереном, подобным углеродным фуллеренам.

Он в приготовленной смеси выполняет функцию не только заполнителя требуемого объема смесей при заданной плотности, но и роль «подложки», которая за счет формы, структуры, зарядового и энергетического потенциалов задает форму, направление и скорость формирования кристаллогидратов.

В итоге создается однородная и изотропная кристаллическая структура на серной матрице, в которой реализуются природные закономерности «золотого сечения».

В случае использования фибры с различным соотношением длины и толщины нитей в процессе гидратации смесей вокруг каждой нити формируются слой за слоем кристаллогидраты трубчатой структуры, подобные углеродным нанотрубкам, которые обеспечивают дополнительные связи в массиве искусственного камня и дают заметный рост прочностных параметров на сжатие и на изгиб.

Использование в качестве наполнителя-модификатора микрокремнезема дает в итоге оптимальное сочетание молекулярных матриц кремния и серы за счет устойчивых ковалентных связей. Именно это позволило получить на гипсовом вяжущем материал высокой плотности (около 2000 кг/м3 ) с высокими показателями по прочности на сжатие свыше 80 МПа и на изгиб свыше 10 МПа.

Следует еще отметить роль воздушных пор (пузырьков) для обеспечения высокого уровня морозостойкости конструкций и материалов из гипса даже в увлажненном состоянии. Воздушная пора оказывается не только естественным демпфером при увеличении объема примерно на 9% при замерзании воды, но и оказывается «гасителем» при появлении и распространении микротрещин из-за явлений контракции в массиве материала.

Это лишь некоторые примеры наших материаловедческих и технологических пояснений.

Мы готовы продолжать общение с заинтерессованными участниками такой дискуссии. Но мы вправе ожидать равноправного общения, а для этого наши критики и оппоненты должны наработать свои практические результаты и дать им свое объяснение, которое подтверждает или опровергает наше.
А игра «в одни ворота» – докажи, объясни, дай гарантии и т. п., которая ведется до настоящего времени, малопривлекательна для нас и неэффективна для развития заявленной нами темы.

В дополнение к изложенному повторим из прежних публикаций тезис о трех «Э», а именно экологичность, экономичность и эффективность (технологическая), предлагаемых технологий строительства. Но вполне уместно эту «троицу» дополнить еще одним «Э» – эргономичностью. Это близкое к оптимальному соответствие возможностям и потребностям человека на всех этапах производства: от получения исходного сырья (гипса) из природных ископаемых до процессов его использования при возведении различных объектов, а в дальнейшем до длительного этапа эксплуатации этих объектов с возможностью полной их утилизации без ущерба для окружающей среды.

Авторы отдают себе отчет в том, что многое из изложенного в статье носит дискуссионный характер, требует проверки и конкретизации. Но уже есть многое, что можно изучать, и прежде всего – построенные объекты.

Особо следует отметить значение выхода на этап опытно-экспериментального строительства реальных объектов из новых материалов по необкатанным технологиям. Риски, ответственность и т.п. – высокие. Но только такой вид деятельности дал авторам широкий набор очень интересных результатов.

Конечно же, научные исследования, лабораторные испытания-без них нельзя. Но они не имеют того набора воздействующих факторов, такого эффекта масштаба в экспериментах как реальное строительство.

Надеемся, что некоторая вольность в изложении информации допустима в научно-популярном издании, ведь мы стремимся заинтересовать в достигнутых нами результатах самую широкую аудиторию читателей, а не только ученых и строителей-профессионалов. Считаем, что это позволит нам выйти на широкий простор научно-практического общения с главным потребителем строительной продукции-населением страны.

Мы готовы к открытому диалогу со всеми, кто заинтересуется нашими разработками, в том числе и с зарубежными партнерами.

Библиографический список:

1. Канарев Ф.М. Теоретические основы физхимии микромира. – Краснодар, 2009 – 828 с.

2. Голубев С.С. Взгляд на микромир с позиции биолога. Монография. – Владивосток «Дальнаука» ДВО РАН, 2009 – 245 с.

3. Черноусенко Г.И. О влаго- и морозостойкости мелкозернистых поризованных бетонов. Научное издание. Химия, физика и механика материалов. Воронеж ВГТУ, №4, 2018, с. 182-189 ISSN 2587-9006

4. Борисов Ю.М., Черноусенко Г.И. Эффективные инновационные решения при выполнении общестроительных работ. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. М., №7, 2008, с. 78-79

5. Цыплаков А.Н., Черноусенко Г.И., Перцев В.Т. Особенности применения гипсопенобетонных материалов в коттеджном строительстве. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. М., № 7, 2011, с. 26-27

6. Цыплаков А.Н., Дурукин В.Н., Шокин О.В., Черноусенко Г.И., Применение фиброгипсопенобетона и композитной арматуры в монолитном коттеджном строительстве. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, – М.,   № 9-10, 2019, с. 12-14.