CC BY
17Володченко А. Н., канд. техн. наук, доц.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ИЗВЕСТКОВО-САПОНИТОВОГО ВЯЖУЩЕГО НА СВОЙСТВА АВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Установлено, что при механоактивации известково-сапонитового вяжущего происходит разрушение кристаллической структуры сапонита, приводящее к повышению химической активности компонентов сырьевой смеси. Это позволяет ускорить синтез новообразований и сформировать в более короткие сроки оптимальный состав цементирующих соединений, что оказывает положительное влияние на физико-механические свойства автоклавных силикатных материалов.
Ключевые слова: магнезиальные глины, известь, известково-сапонитовое вяжущее, механоак-тивация, автоклавная обработка, силикатные материалы.
Ведущая роль в решении проблемы комплексного использования минерального сырья принадлежит промышленности строительных материалов, так как подавляющее большинство попутных продуктов по своим свойствам относится к категории техногенного минерального сырья, являющегося основной базой этой отрасли производства [1-4].
В Архангельской области геологоразведочными работами в районе добычи алмазов выявлены большие количества песчано-глинистых пород, в том числе и магнезиальных глин. Маг-нийсодержащие силикаты, несмотря на большое распространение их в земной коре, мало изучены и имеют весьма ограниченное применение в промышленности. Одним из перспективных направлений использования этих пород являются автоклавные силикатные материалы. Известны положительные результаты использования ультраосновных горных пород магнезиального состава для производства автоклавных силикатных материалов [1, 5]. Проведенными ранее исследованиями в Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова установлена возможность использования магнезиальных глин Архангельской алмазонос-
ной провинции в качестве компонента вяжущего силикатных автоклавных материалов [6, 7].
При производстве традиционного известко-во-песчаного силикатного кирпича часть объема кварцевого песка с целью его активизации подвергают совместному помолу с известью. При этом существенно увеличивается поверхностная энергия системы и, соответственно, химическая активность. Такое же повышение химической активность следует ожидать при увеличении степени дисперсности и разрыхлении структуры породообразующих минералов магнезиальной глины.
Целью настоящей работы является изучение влияния механоактивации вяжущего на основе магнезиальных глин на физико-механические свойства автоклавных силикатных материалов.
Магнезиальная глина, используемая в исследованиях, представляет собой плотную породу серого цвета с зеленым оттенком с раковистым изломом и слоистой текстурой. Порода классифицируется как глина твердая, тяжелая. Гранулометрический состав породы приведен в табл. 1.
Гранулометрический состав породы
Таблица 1
Размер частиц, мм более 1,25 1,250,63 0,630,315 0,3150,16 0,160,10 0,100,04 0,040,01 0,010,005 менее 0,005
Содержание фракций, мас. %, 1,97 5,03 5,52 7,66 6,0 12,25 12,74 18,15 30,68
В породе по гранулометрическому составу преобладают алеврито-пелитовые частички (73,82 мас. %). Химический состав породы следующий, мас. %: SiO2 - 45,3, Al2Oз - 6,24, Fe2Oз - 8,14, CaO - 8,86, MgO - 18,92, - 0,65, ^ - 2,16, Na2O - 2,84, п.п.п. - 6,16.
Глинистое вещество породы в основном
представлено магнезиальной разновидностью монтмориллонита - сапонитом, о чем свидетельствует рефлекс 15,343 А на рентгенограмме (рис. 1). Порода также в незначительном количестве содержит кварц (рефлексы 4,27; 3,356; 1,821 А) и карбонат кальция (рефлексы 3,04; 2,28; 1,91 А).
Рисунок 1. Рентгенограмма магнезиальной глины
В качестве известкового компонента использовали негашеную комовую известь АО «Стройматериалы» активностью 87,4 мас. %.
Для проведения исследований готовили из-вестково-сапонитовое вяжущее (ИСВ) с соот-
ношением извести к глине 1:2. Вяжущее подвергали механоактивации в лабораторной вибромельнице. Влияние времени механоактивации на удельную поверхность ИСВ представлено в табл. 2.
Таблица 2
Удельная поверхность ИСВ в зависимости от времени механоактивации
Время помола, мин 5 60 240 360
Удельная поверхность, см2/г 7000 8100 8350 8500
При механоактивации в течение 5 мин удельная поверхность ИСВ достигает 700 м2/кг. Увеличение длительности механоактивации до 360 мин увеличивает удельную поверхность только на 21,4 % и составляет 850 м2/кг.
Гранулометрический состав ИСВ исследовали методом лазерной гранулометрии на установке MicroSizer 201 (рис. 2). Анализ распределения частиц по размерам показал, что в ИСВ при механоактивации 5 мин преобладают части-
цы размером от 12 до 100 мкм (см. рис. 2, кривая 1) С увеличением длительности механоактивации до 360 мин повышается содержание частиц размером от 1 до 10 мкм (см. рис. 1, кривая 2). Из этих данных можно судить, что с увеличением продолжительности механоактивации происходит разрушение частиц до меньшего размера, тем самым, повышая его удельную поверхность ИСВ.
9,1 7,6
^
=Г 6,0
я
н
о
га
У
и 4,5
*
& з,о §
и
1,5
* ! % \
\ ч 1 А4 * # / * К» \ \ \ \/ %
Л''*4-' / в / / / / " / \ / V V % % % _2 \
// у* У' * Л % V *
0,20
0,76
158
600
2,88 11,0 41,6
Диаметр частиц, мкм
Рисунок 2. Распределение частиц по размерам: время механоактивации, мин: 1 - 5; 2 - 360
По данным рентгенофазового анализа было установлено, что при механоактивации ИСВ в течение 5 мин происходит существенное уменьшение рефлекса сапонита 15,343 А (рис. 3, кривая 1) в сравнении с исходной породой, свидетельствующее о частичном разрушении структуры преобладающего минерала. На рент-
генограмме появляются рефлексы гидроксида кальция (4,997; 2,64; 1,941 А), который, вероятно, образуется за счет взаимодействия оксида кальция с кристаллохимически связанной водой, входящей в структуру кристаллической решетки сапонита. При этом оксид кальция в составе ИСВ прогидратировался неполностью (рефлек-
сы 2,411 и 1,704 А). С увеличением продолжительности механоактивации до 60 мин рефлекс 15,343 А исчезает (рис. 3, кривая 2), что свидетельствует о практически полном разрушении структуры сапонита. Одновременно с этим происходит уменьшение рефлексов гидроксида кальция (2,64; 4,997; 1,941 А) и усиление рефлексов кварца (4,26; 3,35; 1,82 А) (см. рис. 3,
кривые 2-4). Уменьшение рефлексов гидроксида кальция (4,997; 2,64; 1,941 А), как и в случае с сапонитом, также можно связать с разрушением кристаллической структуры. Увеличение количество аморфной составляющей в ИСВ подтверждается повышением интенсивности фона на рентгенограммах (см. рис. 1 и 3).
Рисунок 3. Рентгенограммы известково-сапонитового вяжущего: время механоактивации, мин: 1 - 5; 2 - 60; 3 - 240; 4 - 360
На основе ИСВ, полученным при механоак-тивации 5 и 360 мин были изготовлены силикатные образцы. В качестве кремнеземистого компонента использовался песок Разуменского месторождения Белгородской области. Соотношение песка и вяжущего брали из расчета получения
активности сырьевой смеси 8 мас. %. Полученное вяжущее и песок перемешивали, увлажняли необходимым количеством воды и выдерживали в герметичной чашке для гашения извести. Формование проводили из смеси влажностью 10 % при давлении 20 МПа. Образцы автоклавировали при
1
2
3
4
давлении пара 1 МПа по режиму: подъем давления пара - 1,5 ч, изотермическая выдержка 3 и 6
ч, сброс давления - 1,5 ч. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Физико-механические характеристики Время изотермической выдержки, ч
3 6
время механоактивации ИСВ, мин
5 360 5 360
Предел прочности при сжатии, МПа 25,6 32,15 29,3 35,26
Средняя плотность, кг/м3 1780 1755 1880 1795
Водопоглощение, % 14,50 15,75 14,10 15,60
Коэффициент размягчения 0,70 0,76 0,71 0,78
Прочность образцов, автоклавированных с изотермической выдержкой 6 ч, при увеличении времени механоактивации повысилась с 29,3 до 35,26 МПа (на 20 %), а при длительности изотермической выдержки 3 ч прочность увеличилась с 25,6 до 32,15 МПа (на 26 %). Средняя плотность образцов с 6 и 3 ч изотермической выдержкой снизилась соответственно с 1880 до 1795 кг/м3 и с 1780 до 1755 кг/м3. Водопоглощение при этом повышается. Высокую водостойкость обеспечивает механоактивация в течение 360 мин как при 6 ч, так и при 3 ч изотермической выдержки.
Состав новообразований изучен методами дифференциально-термического и рентгенофа-зового анализа (рис. 4). На термограммах образцов на основе механоактивированного вяжущего в течение 360 мин фиксируется образование
б
низкоосновных гидросиликатов кальция типа С8ЩВ) (экзоэффект при 820-840 °С) как при 6 ч, так и при 3 ч изотермической выдержке в автоклаве (см. рис. 4, а, кривые 3, 4). Идентификация низкоосновных гидросиликатов кальция с помощью рентгенофазового анализа затруднена, так как наиболее сильный рефлекс 3,04 А (см. рис. 4, б) совпадает с рефлексом карбоната кальция, о присутствии которого свидетельствует эндоэффект при 800 °С на термограммах. На ИСВ, подвергнутом механоактивации 5 мин, при сокращенных режимах автоклавной обработки образуются гидросиликаты кальция более высокой основности (экзоэффект при 850-880 °С) (см. рис. 4, а, кривые 1, 2).
Температура, С
Рисунок 4. Термограммы (а) и рентгенограммы (б) образцов на основе известково-сапонитового вяжущего: время механоактивации ИСВ, мин: 1, 2 - 5; 3, 4 - 360; длительность изотермической выдержки в автоклаве, ч: 1, 3 - 3; 2, 4 - 6
а
Во всех образцах остается несвязанный гидроксид кальция (рефлексы 4,997; 2,64; 1,941 Ä на рентгенограммах и эндотермический эффект при 500 °С на термограммах), количество которого, исходя из величины пиков, уменьшается с увеличением времени механоактивации (см. рис. 4, б). Следовательно, увеличение продолжительности механоактивации способствует более полному связыванию компонентов ИСВ.
Эндоэффект разложения карбоната кальция при 800 °С на термограммах образцов на ИСВ с механоактивацией 360 мин уменьшается (см. рис. 4, а, кривые 3, 4). Экзоэффект при 820-840 °С, напротив, увеличивается. Можно сделать вывод, что содержание CSH(B) в составе цементирующих соединений повышается. Это также подтверждается увеличением рефлекса 3,04 Ä на рентгенограммах (см. рис. 4, б, кривые 3, 4). Возможно также образование рентгеноаморф-ных гидросиликатов магния [7]. С увеличением содержания в структуре цементирующего соединения низкоосновных гидросиликатов кальция и магния связано повышение прочности при механоактивации известково-сапонитового вяжущего.
Таким образом, при механоактивации из-вестково-сапонитового вяжущего происходит разрушение кристаллической структуры сапонита, приводящие к повышению химической активности компонентов сырьевой смеси. Это позволяет ускорить синтез новообразований и сформировать в более короткие сроки оптимальный состав цементирующих соединений, что, в свою очередь, оказывает положительное влияние на физико-механические свойства автоклавных силикатных материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Боженов, П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология / П.И. Боженов. - М.: Изд-во АСВ, 1994. - 264 с. - ISBN 5-87829-004-9.
2. Лесовик, Р.В. К проблеме использования техногенных песков для производства мелкозернистых бетонов и изделий на их основе [Текст] / Р.В. Лесовик // Строительные материалы. - 2007. - № 9. - Приложение «Наука». - № 10. - С. 13 - 15.
3. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова [и др.]//НТЖ «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». №1. - Белгород: изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - С. 30-33.
4. Шейченко, М.С. Композиционные вяжущие с использованием высокомагнезиальных отходов Ковдорского месторождения [Текст] / М.С. Шейченко, В.С. Лесовик, Н.И. Алфимова // НТЖ «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». №1. -Белгород: изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. -С.10-14.
5. Прокофьева, В.В. Конструирование строительных материалов на основе нетрадиционного сырья / В.В. Прокофьева, З.В. Багаутди-нов, В.В. Ионина // Достижения строительного материаловедения: сборник научных статей, посвященный 100-летию со дня рождения П.И. Баженова. - Санкт-Петербург: «ООО «Издательство ОМ-Пресс»», 2004 г. - С. 57-62.
6. Володченко, А.Н. Ячеистый бетон с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, В.К. Гаранин и др. // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 2. -С. 13-18. - ISSN 0536-1052.
7. Володченко, А.Н. Особенности взаимодействия магнезиальной глины с гидроксидом кальция при синтезе новообразований и формирование микроструктуры / А.Н. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - № 3. - С. 11-11.
