CC BY
32Фомина Е. В., канд. техн. наук, доц., Кожухова М. И., аспирант, Кожухова Н. И., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ ПОРОДЫ В СОСТАВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ*
В работе рассмотрены некоторые факторы эффективности применения алюмосиликатной породы (перлита) в высокощелочных вяжущих автоклавного твердения и естественного твердения (геополимерах). Установлено, что особенность фазово-размерной гетерогенности алюмосиликатной породы неразрывно связана с активностью, которая отражается на активности получаемого композиционного вяжущего. Применение алюмосиликатной породы в составе вяжущих оказывает влияние на структурно-фазовые трансформации при гидратации и твердении с улучшением качества и повышением эффективности их производства.
Ключевые слова: композиционное вяжущее, алюмосиликаты, геополимеры, силикатные автоклавные материалы, перлит._
Основная задача строительной индустрии -это создание высокоэффективных строительных материалов и изделий, которые намного превосходили бы по своим свойствам уже известные аналоги. Решить эту сложную в теоретическом и практическом плане задачи с помощью традиционных видов вяжущих не удается. Поэтому для получения высокоэффективных строительных изделий необходимо создание композиционных вяжущих на основе нетрадиционных видов минерального сырья.
Значительный интерес вызывают алюмоси-ликатные материалы природного и антропогенного происхождения [1-6], которые в силу генетических особенностей содержат в своем составе наноразмерную (ультрадисперсную) составляющую. Одним из таких материалов является алюмосиликатная порода - перлит, которая относится кнаногетерогенным минеральным компонентам природного происхождения [7].
Алюмосиликаты имеют неупорядоченную структуру, поэтому нестабильны при воздействии щелочного раствора, что являет-
Химический состав I
ся основой их пуццолановых свойств. Пуццола-новая активность послужила основным критерием выбора этой породы в данной работе для создания высокоэффективных композиционных вяжущих автоклавного твердения (на основе извести) и алюмосиликатных вяжущих (вяжущих щелочной активации - геополимеры). Одним из факторов эффективности применения алюмосиликатной породы в высокощелочных вяжущих являются структурно-фазовые трансформации при гидратации и твердении с возможностью образования в конечном продукте натриевых и калиевых цеолитов - аналогов породообразующих минералов земной коры, отличающихся длительной долговечностью [8].
В работе исследования проводили на перлите Мухор-Талинского месторождения, для сравнения использовался кварцевый песок Нижне-Ольшанского месторождения (табл. 1).
Перлит представляет собой породу вулканического происхождения с содержанием 98% стеклофазы и является рентгеноаморфным компонентом (рис. 1).
Таблица 1
Минерал SiO2 Al2Oз Fe2Oз СаO MgO Н2О SO3 ппп
Перлит 75,5 13,6 1,0 1,0 0,3 0,1 4,8 3,8 5,3 - -
Кварцевый песок 92,4 2,36 0,77 1,88 0,2 - - - - 0,05 1,95
*Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта Президента РФ № МК-6170.2013.8; при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации, государственный контракт 16.740.11.0770, государственное задание 3.4601.2011, Министерства образования и науки Российской федерации: программа стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова, государственное задание 3.4601.2011
Рис. 1. Рентгенограмма перлита Мухор-Талинского месторождения
Высокая активационная способность перлита заключается в особенностях типоморфиз-ма. Образование кремнеземсодержащих пород в условиях различного генезиса предопределяет их активность. В процессе магматогенно-интрузивного формирования минерала кварца кристаллизуются крупные правильные кристаллы с невысокой химической активностью. В результате магматогенно-эффузивного генезиса стеклофазы перлита формируются достаточно мелкие кристаллиты, в некоторых случаях кристаллизация не происходит, и образуется аморфный минерал.
Показателями реакционной активности кремнеземсодержащих пород можно оценить по
соотношению модификаций кремнезема, кристаллиты которых находятся в различных размерных пределах. В данной работе определение концентрационных показателей осуществлялось компьютерной обработкой данных рентгено-фазового анализа с помощью программы Full-Prof. Фазовый состав исследуемой породы перлита представлена высокотемпературными полиморфными модификациями кварца кристоба-литом и тридимитом с размерами кристаллитов 1-1,6 нм (табл. 1), следовательно, он интенсивнее будет вступать во взаимодействие с компонентами вяжущего.
Таблица 2
Наименование Содержание компонентов(вес, %) Размер кристаллитов, нм
Перлит тридимит 3 1,6
кристобалит 97 1
Кварцевый песок а-кварц 84 67
р-кварц 16 20
Оценка эффективности применения алюмо-силикатной породы природного происхождения велась также по кинетике механоактивацион-нойдиспергации. Измельчение производилось в лабораторной планетарной мельнице в течение
— 2 часа
2, 4, 6 часов. Выходными параметрами являлись удельная поверхность и размер частиц. Анализ распределения частиц по размерам осуществлялось методом лазерной гранулометрии.
11.0 41.6 158 и,ли и-/0 z-55 11-0 41-6 158
Размер зерен,мкм Размер зерен,мкм
Рис. 2. Гранулометрический анализ кремнеземсодержащих пород
Характер развития кривых распределения частиц в рассматриваемых пробах кварца и перлита отличается размерной гетерогенностью. Зерновой состав пробы кварца через 2 часа помола находится в интервале от 0,40 до 40 мкм, причем с увеличением времени помола до 6 часов отмечается два максимальных пика с разме-
Изменение удельной повер
ром частиц от 0,9 до 3 мкм. Кривая распределения частиц пробы перлита с увеличением времени помола изменяется незначительно, концентрация частиц наблюдается в широком диапазоне от 0,25 до 100 мкм, что свидетельствует о постоянстве полидисперсности материала.
Таблица 3
сти при помоле минералов
Минерал Удельная поверхность, м2/кг при времени помола, час.
2 4 6
Перлит 7220 7430 7980
Кварцевый песок 3540 4170 5200
Положительным фактором является высокая размолоспособность перлита (табл. 3). Это позволяет прогнозировать повышение эффективности производства за счет сокращения времени помола кремнеземсодежащего сырья.
С целью исследования влияния на свойства композиционных вяжущих автоклавного твердения формовались образцы-кубики с размером 2^2x2 см составов приведенных в таблице 4.
Исходя из технологических особенностей производства силикатных материалов автоклавного твердения, с учетом замены кварцевого компонента перлитом, в составе вяжущего использовался перлит после 2 часов диспергации. Испытания на прочность исследуемых в работе образцов проводили в соответствии с ГОСТ 846285.
Составы силикатных смесей композиционного вяжущего
Таблица 4
№ состава известь,% кв. песок, % перлит, % вода, мл
1 50 50 - 15
2 50 45 5 15,2
3 50 40 10 15,4
4 50 35 15 15,6
5 50 30 20 15,8
Гидротермальная обработка проводилась в ч, сброс давления пара -1,5 ч.По результатам
лабораторном автоклаве при давлении насыщенного пара 8 атм. по режиму: подъем давления пара - 1,5 ч, изотермическая выдержка - 5-6
с
о с
5 I
И
ц *
ф о
ч
ф
о.
34 33 32 31 30 29 28
испытаний были построены зависимости прочности образцов от количества введенной добавки перлита при замене кварцевого песка (рис. 3).
10
15
20
0
5
Содержание перлита, %
Рис. 3. Прочностные характеристики автоклавированного композиционного вяжущего
На диаграммах автоклавированных образцов вяжущего максимальное повышение прочности на 20% отмечается при введении в состав сырьевой смеси 10% перлита. По результатам предварительной оценки активности кремнезема в исходных породах, можно установить, что обладая высокой пуццолановой активностью, пер-
лит интенсивно вступает в реакцию взаимодействия с известью на начальных этапах твердения, что имеет важное значение с учетом уменьшения растворимости Са(ОН)2 при повышении температуры. В процессе термообработки аморфная составляющая перлита переходит в растворимые модификации, активизируя в жид-
кой фазе процессы взаимодействия всех компонентов вяжущего и энергетически облегчая механизмы фазообразования цементирующего вещества. По результатам РФА добавление в состав силикатных смесей автоклавного твердения нанокристаллического перлита способствует образованию ленточного низкоосновногогидро-силиката кальция - 11А -тоберморита, уменьшению концентрации, высокоосновной ортосили-катной фазы а-С2Жиобразованию фазы типа цеолит L - Кц.7(А11.88134.2072) [9], что в комплексе
способствует формированию высоких прочностных свойств материала.
С целью исследования возможности получения геополимерных вяжущих на основе перлита, а также влияние дисперсности перлита на прочностные характеристики формовались образцы щелочного вяжущего с перлитом. Предварительное измельчение перлита производилось в более широком временном диапазоне (табл. 5). Образцы композиционного вяжущего подвергались тепловой обработке в течение 12 часов при температуре 80°С.
Таблица 5
Составы геополимерного вяжущего
№ состава Время помола, ч Дисперсность, см2 /г Перлит, % Вода, % Щелочной компонент, %
1 1 3620 75,3 21,55 3,1
2 1,5 4570 75,3 21,55 3,1
3 2 5670 75,3 21,55 3,1
4 2,5 5730 75,3 21,55 3,1
5 3 6220 75,3 21,55 3,1
По полученным результатам исходная дисперсность перлитового компонента оказывает
существенное влияние на прочность получаемого композиционного вяжущего (рис. 4).
5 i
&S
ц S
ш о
ч s
а ^
14 12 10 8 6 4 2 0
1
ГШ1
3
1,5 2 2,5
Время диспергации, ч
Рис. 4. Прочностные характеристики геополимерного вяжущего
Динамика возрастания прочности наблюдается с увеличением времени диспергации перлита от 1 до 2 часов. Прочность вяжущего возрастает почти в 4 раза. Увеличение времени диспергации до 2,5 ч. приводит к снижению прочности на 6%, при дальнейшей диспергации прочность остается постоянной.
По результатам РФА образца геополимерного вяжущего с максимальной прочностью, структурообразующей связкой в нем служат кристаллические цеолитоподобные новообразования в основном типа анальцим Na2(AlSi2O6)-2H2O.
Таким образом, установлено, что применение алюмосиликатной породы в составе высокощелочных вяжущих автоклавного твердения оказывает влияние на фазо- и структурообразо-
вание с улучшением качества и повышением эффективности их производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природных перлитов в составе смешанных цементов // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 84-87.
2. Прессованные силикатные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Строительные материалы. 2012. № 3. С. 14-15.
3. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н., Абросимова О. С. Эксплуатационные характеристики силикатного кирпича, изготовленного с использованием техногенного алюмосиликатного сырья // Вестник Белгородского государственного
технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 11-14.
4. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н. Материалы автоклавного твердения с использованием техногенного алюмосиликатного сырья // Фундаментальные исследования. 2013. № 6-3. С.525-529.
5. Анализ микроструктуры алюмосиликатного сырья с позиции применения его в дорожном строительстве / Т.В. Дмитриева, А.О. Лю-тенко, В.В. Строкова, М.С. Лебедев, М.А. Нико-лаенко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. C. 33-38.
6. Урханова Л. А., Балханова Л. А. Получение композиционных алюмосиликатных вяжу-
щих на основе вулканических пород // Строительные материалы. 2006. №5. С.51-53.
7. Жерновский И.В., Строкова В.В. Некоторые возможности применения полнопрофильного РФА в задачах строительного материаловедения // Строительные материалы. Наука. 2010. № 3. С. 102-105.
8. Глуховский В.Д. Грунтоцементы // Тез. докл. 3-й Всесоюзн. научн.-практ. конф., (Киев, окт. 1989), Киев: Изд. КИСИ, 1989. Т.1. - С. 2325.
9. Фомина Е.В, Жерновский И.В., Строкова В.В. Особенности фазообразования силикатных ячеистых изделий автоклавного твердения с алюмосиликатным сырьем // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 38-40.
