CC BY
17Лесовик В. С., чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф.,
Володченко А. А., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СЫРЬЯ НА СВОЙСТВА БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
Установлено, что содержание пелитовой фракции и рентгеноаморфного вещества в песчано-глинистых породах, которые можно использовать в качестве сырья при производстве безавтоклавных силикатных материалов, составляет до 20 мас. %. Такой состав песчано-глинистой породы обеспечивает формирование прочной микроструктуры цементирующего соединения, что позволит получать эффективные стеновые строительные материалы по энергосберегающей технологии.
Ключевые слова: песчано-глинистые породы, пелитовая фракция, нанодисперсное сырье, рент-геноаморфное вещество, известь, тепловлажностная обработка, силикатные материалы._
В настоящее время одним из самых распространенных стеновых строительных материалов является силикатный кирпич и камни. По технико-экономическим показателям силикатный кирпич превосходит глиняный кирпич. На его производство требуется в 2 раза меньше топлива, в 3 раза меньше электроэнергии, в 2,5 раза меньше трудоемкости производства, что, в конечном итоге, снижает себестоимость силикатного кирпича в сравнении с глиняным на 25-35 %. Силикатный кирпич и камни используются для кладки несущих стен и облицовки стен из других материалов, а также для реконструкции жилых и общественных зданий.
Производство силикатных материалов во всем мире базируется на традиционной технологии, в которой главным сырьевым компонентом является кварцевый песок. Однако на традиционном сырье сложно получать высокопустотные изделия, вследствие низкой прочности сырца и неоптимальной структурой матрицы. В тоже время в зону горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых попадают некондиционные с точки зрения строительного производства песчано-глинистые породы незавершенной стадии глинообразования, которые, как было показано ранее проведенными исследованиями, можно использовать для производства силикатных материалов [1, 2]. В результате различного генезиса попутно добываемые пес-
чано-глинистые породы из различных регионов могут отличаться по вещественному и гранулометрическому составу. Пелитовая фракция данных пород представлена термодинамически неустойчивыми соединениями, такими как сме-шаннослойные минералы, тонкодисперсный слабоокатанный кварц, несовершенной структуры гидрослюда, Са2монтмориллонит, каолинит, а также рентгеноаморфные минералы. Эти термодинамически неустойчивые соединения, обладающие свойствами природных наноразмер-ных частиц, позволяют изменить морфологию новообразований и оптимизировать структуру цементирующего соединения [3-7]. На основе песчано-глинистых пород можно также получать силикатные материалы по безавтоклавной технологии [9-10].
Цель настоящей работы - изучение влияния содержания пелитовой фракции на свойства силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья и получение эффективных стеновых строительных материалов по энергосберегающей технологии.
Для исследований в качестве природного наноразмерного сырья использовали песчано-глинистые породы региона Курской магнитной аномалии. Гранулометрический состав породы, полученный ситовым анализом, представлен в табл. 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав породы
Содержание фракций, мас. %, размер сит, мм
более 0,315 0,3150,20 0,200,125 0,1250,10 0,100,05 0,050,04 0,040,01 0,010,005 менее 0,005
1,3 2,95 5,10 6,35 12,90 5,82 42,95 5,70 16,93
По гранулометрическому составу и числу пластичности (1р = 6) породу можно охарактеризовать как супесь пылеватую. По размеру преобладают алевритовые и пелитовые частички. Основная масса материала имеет пелитоморф-номикрочешуйчатое строение, неравномерно
окрашена органическим веществом и гидроокислами железа. Пелитовая фракция пород представлена монтмориллонитом, гидрослюдой, каолинитом, смешаннослойными наноразмер-ными образованиями и рентгеноаморфными соединениями (рис. 1).
Рис. 1. Рентгенограмма пелитовой фракции
В качестве известкового компонента использовали негашеную комовую известь ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород). Активность извести составляла 78,3 %, температура гашения 97,5 °С, время гашения - 4 мин 30 сек.
Задачей проведенных исследований являлось определение рационального содержания пелитовой фракции в исходном сырье и разработка составов песчано-глино-известковых материалов, обеспечивающих оптимальное струк-турообразование и получение силикатных материалов с высокими физико-механическими показателями.
Пелитовую фракцию получали путем отму-чивания исходной песчано-глинистой породы. Распределение частиц по размерам в пелитовой фракции, а также исходной породы, определяли методом лазерной гранулометрии с помощью установки MicroSizer 201 (рис. 2). В пелитовой фракции содержатся преимущественно частицы размером в диапазоне 0,7-10 мкм.
гашения извести. Формовочная влажность смеси составляла 10-12 %. Прессование проводили при давлении 20 МПа. Образцы пропаривали при 90-95 °С в течение 12 час.
Эксперимент проводили с использованием метода математического планирования. Условия планирования эксперимента и матрица планирования представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Факторы Уровни Интервал
варьирования варьирования
Натуральный Кодирован- -1 0 +1
вид ный вид
СаО, мас. % х1 6 10 14 4
Содержание
пелитовой фракции, х2 10 20 30 10
мас. %
Таблица 2
№ х: х2
1 +1 +1
2 +1 -1
3 -1 +1
4 -1 -1
5 +1 0
6 -1 0
7 0 +1
8 0 -1
9 0 0
10 0 0
11 0 0
Рис. 2. Распределение частиц по размерам: 1 - исходная песчано-глинистая порода;
2 - пелитовая фракция.
Образцы готовили методом полусухого прессования. Предварительно измельченную известь, пелитовую фракцию и исходную породу перемешивали в заданном соотношении, увлажняли необходимым количеством воды и выдерживали в герметичной чашке до полного
Варьирование факторов преследовало цель выявления их рационального значения, обеспечивающего получение материала с требуемыми характеристиками.
Выходными параметрами для подбора рационального состава и технологических параметров служили следующие показатели: предел прочности при сжатии, средняя плотность и коэффициент размягчения. Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Таблица 3
Выходные параметры__
№ Предел прочность при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Коэфициент размягчения
Экспериментальный Рассчитанный Экспериментальный Рассчитанный Экспериментальный Рассчитанный
1 17,3 17,3 1820 1820 0,77 0,73
2 14,4 12,07 1860 1855 0,69 0,67
3 16,3 17,3 1920 1920 0,83 0,82
4 12,8 12,07 1885 1880 0,58 0,58
5 16,9 17,6 1850 1850 0,6 0,69
6 16,3 17,6 1920 1915 0,72 0,69
7 22,6 21,6 1890 1895 0,76 0,81
8 13,3 16,3 1900 1895 0,65 0,67
9 22,4 21,9 1910 1910 0,75 0,73
10 22,5 22,1 1905 1900 0,74 0,72
11 22,7 21,8 1910 1905 0,77 0,78
После статистической компьютерной обработки экспериментальных данных были получены математические модели изменения физико-механических свойств силикатных образцов. По уравнениям регрессии был проведен анализ влияния исследуемых факторов. Меняя соотношение компонентов силикатных изделий технологические параметры, можно обеспечить тре-
буемую прочность при сжатии, среднюю плотность и коэффициент размягчения силикатных изделий.
Уравнения регрессии прочности при сжатии (Лсж), средней плотности (рср) и коэффициента размягчения (Краз) силикатных изделий имеют вид:
ДСж = 21,87 + 2,62 Х2 - 4,27 Х:2 - 2,92 Х22,
рСр = 1909,17 - 32,51x1 - 24,5х:2 - 14,5х22 - 18,75x^2,
Краз = 0,73 + 0,073х2 - 0,038Х!2 + 0,007х22 - 0,043 х^2.
Комплексное представление о влиянии содержания СаО и содержания пелитовой фракции на предел прочности при сжатии, среднюю плотность и коэффициент размягчения силикатных изделий представлено на номограммах (рис. 3), построенных с помощью уравнения регрессии.
Как видно из полученных данных (рис. 3, а) максимальной прочности (22 МПа) достигают образцы, содержащие 10 мас. % извести и 20 мас. % пелитовой фракции. При увеличении содержания пелитовой фракции до 30 мас. % прочность практически не изменяется. Повышение содержания извести до 14 мас. % снижает прочность до 18 МПа.
Средняя плотность с увеличением содержания извести уменьшается, причем тем сильнее, чем выше содержание пелитовой фракции (см. рис. 3, б). Максимальную среднюю плотность имеют образцы, при 6 мас. % извести и 30 мас. % пелитовой фракции. Эти образцы имеют и самую высокую величину коэффициента размягчения (см. рис. 3, в).
Увеличение содержания извести лишь незначительно повышает коэффициент размягче-
ния. Однако образцы всех исследуемых составов, исходя из значений коэффициента размягчения, являются водостойкими.
Таким образом, содержание пелитовой фракции оказывает существенное влияние на прочностные свойства силикатных материалов на основе супеси. В тоже время все составы с 20 мас. % пелитовой фракции обеспечивают получение материалов с высокими прочностными показателями и хорошей водостойкостью, а дальнейшее увеличение не приводит к существенному повышению прочности. Это имеет важное практическое значение, так как при колебаниях вещественного состава сырья, которое неизбежно в процессе реального производства, можно получать строительные материалы с заданными физико-механическими свойствами.
По данным дифференциально-
термического и рентгенофазового анализов (рис. 4 и 5) новообразования представлены преимущественно слабоокристаллизованными соединениями гидросиликата кальция - CSH(B) и С2 SH2.
Рис. 3. Номограммы зависимости физико-механических свойств силикатных изделий от: а - предела прочности при сжатии; б - средней плотности; в - коэффициента размягчения
Рис. 4. Деривотограммы образцов с 10 мас. % извести с содержанием: а - 10 мас. % пелитовой фракции; б - 30 мас. % пелитовой фракции
б
а
На кривой ДТА фиксируется эндотермический эффект при 120 °С, соответствующий обезвоживанию слабоокритстализованных гидросиликатов кальция. Экзотермический эффект при 870 °С, свидетельствуюет о присутствии низкоосновных гидросиликатов кальция тобермори-тового типа. На кривых ТГ и ДТГ также фиксируется потеря массы при 680 °С (рис. 4, а), что, вероятно, обусловлено разрушением комплексного карбонатсодержащего новообразования. а
Эндоэффект при 575 °С связан с полиморфным превращением кварца.
Идентификация гидросиликатов кальция рентгенофазовым анализом затруднена, вследствие наложения рефлекса 3,04 А на такой же рефлекс карбоната кальция (рис. 5). Отражения на рентгенограммах в интервале 2,73-2,79 А относятся, вероятно, к присутствию гидрогранатов.
Рис. 5. Рентгенограмма образца с 10 мас. % извести с содержанием: а - 10 мас. % пелитовой фракции; б - 30 мас. % пелитовой фракции
При взаимодействии извести с глинистыми минералами в условиях тепловлажностной обработки ослабляются связи между кремнекисло-родными тетраэдрами и атомами алюминия в кристаллической решетке глинистого минерала, и как глинозем, так и кремнезем, и рентгено-аморфное вещество приобретают способность вступать в реакции с гидроксидом кальция.
Повышение прочности образцов с увеличением доли пелитовой фракции в исходной породе приводит к увеличению количества новообразований и формированию более плотного состава цементирующих соединений. Можно предположить, что содержание 20 мас. % пели-товой фракции и РАФ достаточно для формирования прочной микроструктуры цементирующего вещества и увеличение тонкодисперсной со-
ставляющей не приводит к заметному повышению прочности.
Таким образом, физико-механические свойства безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород существенно зависят от содержания пелитовой фракции, в состав которой входят рентгеноаморфная фаза и тонкодисперсный кварц. Оптимальное содержание пелитовой фракции в песчано-глинистой породе составляет около 20 мас. %. Такой состав песчано-глинистой породы обеспечивает в условиях пропарки формирование прочной микроструктуры цементирующего соединения, что позволит получать эффективные стеновые строительные материалы по энергосберегающей технологии.
б
*Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик, В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород / В.С. Лесовик. - М.: Изд-во АСВ, 2006. - 526 с.
2. Лесовик, В.С. Геоника. Предмет и задачи: монография / В.С. Лесовик. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. - 213 с.
3. Лесовик, В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов / В.С. Лесовик // Изв. вузов. Строительство. - 1994. - № 7, 8. - С. 96-100.
4. Володченко, А.Н. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков // Современные наукоемкие технологии. - М., 2005. - № 10. - С. 79-79.
5. Алфимов, С.И. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения / С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, А.Н. Володченко, Д.В. Юрчук // Современные наукоемкие технологии. - М., 2006. - № 2. - С. 59-60.
6. Володченко, А.Н. Силикатные материалы на основе вскрышных пород архангельской алмазоносной провинции / А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, С.И. Алфимов // Известия вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2006.- № 3. - С. 67-70.
7. Прессованные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова,
B.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Строительные материалы. - М., 2012. - № 3 - С. 14-15.
8. 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. - 2011. - № 2. -
C.51-55.
9. Лесовик, В.С. Влияние наноразмерного сырья на процессы структурообразования в силикатных системах / В.С. Лесовик, В.В. Строкова, А.А. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 1. - С. 13-17.
10. Лесовик, В.С. Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья / В.С. Лесовик, А.А. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 2. - С. 6-11.
