Структурообразование строительных композиционных материалов на основе местного сырья модифицированных добавками полифункционального назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заведующий кафедрой «СМТ» института УРБАС, СГТУ им. Гагарина Ю.А.1

Аспирант кафедры «СМТ» института УРБАС, СГТУ им. Гагарина Ю.А.2

Студенты кафедры «СМТ» института УРБАС, СГТУ им. Гагарина Ю.А.3

Структурообразование строительных композиционных материалов на основе местного сырья модифицированных добавками полифункционального назначения

Иващенко Ю.Г.

Мамешов Р.Т.

Индустрия строительных материалов - один из динамично развивающихся и наиболее ресурсо- и энергоемких секторов экономики. Поэтому переход на современные экотехнологии производства, снижение ресурсоемкости, энергетических и трудовых затрат при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений является актуальной проблемой.

Использование повсеместно распространенных глинистых и кремнистых пород для производства строительных композитов по безобжиговой технологии имеет большое научное и прикладное значение. Кроме того техническая возможность и экономическая целесообразность применения технологии ориентированной на комплексную переработку и использование местного сырья подтверждается многолетней практикой строительства.

Определенный интерес представляет исследования по модификации структуры органоминеральных композиционных материалов, так называемых геополимеров на основе местного глинисто-кремнистого сырья.

Понятие геополимер был введен Дж. Давидовицем в конце 70-х годов прошедшего столетия и обозначало многокомпонентный искусственно синтезированный строительный композит, сформировавшийся при твердении в естественных условиях из смеси осадочных горных пород (глинистое сырье), вяжущего, добавок, а так же воды и имеющего структуру с повторяющимися в цепях атомами кремния и алюминия [1].

Среди отечественных ученых разработкой и внедрением технологии грунтобетонов и грунтосиликатов интенсивно занимался В.В. Глуховский [2].

Простота получения, экологичность и энергоэффективность технологии геополимеров позволяет использовать их для получения широкого ряда строительных композитов с повышенными механическими свойствами и огнестойкостью, кроме того они могут служить матрицей, обеспечивающая стабилизацию токсичных отходов [3].

Показано [4], что реакция получения геополимеров протекает в три стадии: на первой стадии происходит растворение оксидов кремния и алюминия в щелочной среде - концентрированном растворе NaOH или КOH, на второй стадии происходит расщепление природных полимерных структур на мономеры, на третьей - схватывание и уплотнение в результате обратного превращения мономеров в полимерные материалы.

Одним из наиболее эффективных путей интенсификации технологии, повышения качества и снижения стоимости и материалоемкости изделий и конструкций является модифицирование составов. Основным направлением «химизации» принято считать применение химических добавок и использование водорастворимых смол.

Добавки и смолы вводятся в систему с целью регулирования процессов структурообразования и создания каркаса кристаллизационной структуры, внутри которой расположены агрегаты с коагуляционным и конденсационным строением [5]. Предпосылкой для исследования в настоящей работе механизма действия органических добавок на процессы структурообразования и твердения композитов послужили работы Баженова Ю.М., Батракова В.Г. Соломатова В.И., Тахирова М.К. и др. [6-12], показавшие наличие общей особенности механизма действия различных синтетических смол, пластификаторов и добавок ионогенного типа.

Постановка задачи. Несмотря на наличие широкой номенклатуры высоконаполненных полимерных композиций, строительное производство не распологает достаточно щелочестойкими полимерными композитами на основе относительно недорогих химических продуктов. Поэтому разработка таких связующих, композитов на их основе и их модификация является весьма актуальной. В этом смысле представляют интерес и считаются перспективными водорастворимые ацетоноформальдегидные смолы, отличающиеся полифункциональными свойствами, недефицитностью исходного сырья, простотой технологии получения и сравнительной дешефизной. Рядом исследований обоснована технико-экономическая эффективность применения в технологии бетона ацетоноформальдегидных смол марок АЦФ и САФА [13].

Ранее были проведены исследования [14] с использованием цементного вяжущего, глинистого сырья и продуктов электрохимической обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ для получения строительных композиционных материалов. Глина и цемент, использованные в исследованиях проявляют высокую физико-химическую активность в отношении органических добавок и минеральных солей, выражающаяся в высокой адсорбционной активности и чувствительности гидратационных процессов.

Методы исследования. Начальный этап исследования заключался в определении роли влияния продуктов электрохимической активации (ЭХА) водно-солевых растворов хлорида натрия (ГОСТ 13830-84 «Соль поваренная пищевая») с минерализацией 5 г/л, полученные на установке СТЭЛ-4Н и АЦФ смолы на изменение значения рН-показателя суспензий из глинистого и глиноцементного сырья. Установлено, что продукты ЭХА водно-солевых растворов изменяют значения рН-показателей во всех случаях, причем наибольшие изменения наблюдаются у суспензий, затворенных католитом: в глинистых суспензиях значения рН-показателя увеличены на 30%, а в глиноцементных зафиксировано незначительное повышение, порядка 2-2,5%. Для глинистых суспензий затворенных анолитом характерно снижение значений рН-показателей на 16%, а для глиноцементных - на 5,24%. По методике (ГОСТ 21216-2014 Сырье глинистое. Методы испытаний) определена степень влияния продуктов ЭХА водно-солевых растворов на основные свойства глиноцементного сырья - изменение числа пластичности и формовочной влажности, прочностных показателей (таблица 1).

Таблица 1. Свойства глиняных образцов

Добавка АЦФ во всех случаях изменяет пластические свойства, снижает значения рН-показателей глинистых и глиноцементных суспензий (таблица 2).

В случае затворения глинистых суспензий католитом с добавкой АЦФ наблюдается прирост значения рН-показателя на 15%. Методом титрования (ГОСТ 21283-93 Глина бентонитовая для тонкой и строительной керамики. Методы определения показателя адсорбции и емкости катионного обмена), установлено снижение показателей адсорбции и емкости катионного обмена глинистого сырья при их модификации АЦФ. Отмечается, что АЦФ адсорбируется на поверхности глинистых частиц и участвуют в обменных реакциях. строительный композиционный глинистый композиция

Таблица 2. Пластические свойства глинистых суспензий модифицированных АЦФ

Результаты исследований по оценке физико-механических свойств глиноцементных образцов представлены в таблице 3.

Таблица 3. Свойства глиноцементных образцов при соотношении Г:Ц (90:10%)

В зависимости от давления прессования установлено изменение коэффициента водостойкости образцов с составом Г:Ц (90:10%) контрольного образца и с добавкой АЦФ (0,5%).

Рис. 1. Изменение показателя коэффициента водостойкости образцов

Обсуждение результатов. Установлено, что продуктами ЭХА обработки водно-солевых растворов можно направленно воздействовать на активные центры поверхности частиц. Механизмы модифицирующего воздействия продуктов ЭХА обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ на поверхность частиц глины, достигаются изменением внутренних сил дисперсной системы за счет Na+ катионного обмена, приводящее к самодиспергированию глинистых минералов, увеличению межпакетного пространства c интеркаляцией молекул АЦФ в их структуру. Растворы католита диспергируют глинистые частицы, выражающиеся в повышении значений рН среды.

Снижение рН-показателя дисперсной системы от действия раствора анолита и от введения 3% добавки по массе АЦФ связано с адсорбционными свойствами глинистых частиц. Адсорбция АЦФ на поверхности глинистых частиц определяется соответствием характеров функциональных групп адсорбата и адсорбента. Глинистые минералы, как адсорбент, отличаются обилием поверхностных силанольных групп, способных участвовать в донорно-акцепторных взаимодействиях с метилольными группами АЦФ по типу водородной связи.

Повышение щелочности среды за счет добавления продуктов ЭХА водно-солевых растворов, в частности католита, способствует протеканию процессов диспергирования глинистых частиц, ионного обмена, сорбции и поликонденсации молекул АЦФ смолы. Данное обстоятельство создает предпосылки для дальнейшего исследования механизма действия водорастворимых добавок и их модификаций. Выводы и рекомендации. Следующим этапом изучения является разработка основ структурообразования и долговечности строительных композитов, где в качестве наполнителей служит глинистое сырье, отличающееся повышенным содержанием SiO2, CaO, MgO в комплексе с водорастворимыми ацетоноформальдегидными смолами и различными пластификаторами, в частности, техническими лигносульфонатами ЛСТ и их модификациями.

Известно, что технические лигносульфонаты представляют собой полимеры с широким диапазоном молекулярной массы и состоят из низко- и высокомолекулярных фракций. Высокомолекулярная фракция характеризуется очень сильным стабилизирующим действием и замедляет процесс твердения бетона. Недостатком низкомолекулярной фракции является значительная воздухововлекающая способность, приводящая к снижению прочности. Методы модификации направлены на уменьшения негативного влияния упомянутых фракций ЛСТ [15,16].

Определенный интерес представляло исследование механизма действия технического лигносульфоната совместно с АЦФ смолой на частицы глинисто-кремнистого сырья. В ряде работ отечественных ученых отмечено успешное использование комбинации из ЛСТ и АЦФ [17-19].

Ацетоноформальдегидная смола содержит значительное количество гидроксильных и карбонильных групп и имеет строение:

Наличие карбонильной группы в АЦФ смолах определяет возможность прохождения реакций, в которых химическая, ковалентная и координационная связь может образовываться за счет группы СО. Кроме того, в наполненных композициях в процессе отверждения гидроксильные, карбонильные группы и углеводородные цепи способны взаимодействовать как между собой, так и с функциональными группами наполнителя. В частности гидроксильная группа может принимать участие в химическом взаимодействии с такими составляющими наполнителей как SiO2, CaO, MgO, Fe2O3, Al2O3 Иначе говоря, применение наполнителей с повышенным содержанием вышеуказанных составляющих способствует дополнительной возможности регулирования процесса структурообразования получения органоминеральных материалов с заданными свойствами.

Библиографический список

1. Чекмарев А. С., Сео Д. К., Скорина Т. В., Чекмарева Г. Д. Получение геополимерных материалов с применением природных компонентов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань, 2012. - №20. - Стр. 50-55.

2. Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. - Киев: Будивельник, 1978. - 184 с.

3. Kumar S., Kumar R. Mechanical activation of fly ash: Effect on reaction, structure and properties of resulting geopolymer, Ceramics International, Vol. 37, 2011, pp 533-541.

4. Davidovits, J. Soft Mineralurgy and Geopolymers. In proceeding of Geopolymer 88 International Conference, the Universitй de Technologie, Compiиgne, France. 1988. - pp. 49-56.

5. Щеглов А.Ф. Грунтобетоны на основе глинистых пород КМА в дорожном строительстве. Автореф. канд.тех.наук: 05.23.05 / Щеглов Александр Федорович. - Белгород, 2003. - 22 с.

6. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М., «Высшая школа», 1978. - 455 с.

7. Батраков В.Г., Гень О.П. Влияние комплексных добавок на свойства цементно-песчаного раствора и бетона // Реф.информация / НИИЖБ Госстроя СССР/. Серия УП, 1976. Вып.10, №832.

8. Батраков В.Г. Гусейнов Э.М. Стойкость бетонов с водорастворимыми полимерами в растворах солей высоких концентраций //Труды НИИЖБ. - М.: Стройиздат,1977, вып.23. - С. 12-18.

9. Батраков В.Г. Комплексные модификаторы свойств бетонов // Бетон и железобетон. - 1977, №7. - С 4-6.

10. Попова О.С. Структура и свойства бетонов с добавками водорастворимых смол // Авторефер.дисс.докт.техн.наук. - Л., 1980. - 31 с.

11. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. - М., Стройиздат, 1973. - 207 с.

12. Тахиров М. Структурообразование и долговечность бетонов с применением ацетоноформальдегидных смол // Дисс.докт.техн.наук. Ташкент. - 1987. - 392 с.

13. Соломатов В.И. Тахиров М.К., Коротин М.М. Бетон с АЦФ добавкой для транспортного строительства. - М., «Транспорт», 1986. - 64 с.

14. Мухамбеткалиев, К.К., Иващенко, Ю.Г. Cпособ нейтрализации экстрактивных веществ древесины в безобжиговых составах глино-цементных композитов / К.К. Мухамбеткалиев // Вестник СГТУ. - 2010. - № 3 (48). - С 143-147.

15. Вишнякова А.И. Голубых Н.В. Голубых Н.Д. Опыт применения добавки ПАЩ-1 в бетонах на предприятиях Главлипецкстроя // В сб.: Повышение качества и эффективности изготовления бетонных и железобетонных конструкций за счет химических добавок. - Вильнюс, 1981. - С. 204-205.

16. Глекель Ф.Л. Физико-химические основы применения добавок к минернальным вяжущим. - Ташкент, изд-во «Фан», 1974. - 123 с.

17. Арипов Э.А., Лем Р.А., Фазилов Т.И. Исследование процессов структурообразования в дисперсной системе, пропитанный раствором СДБ. Тезисы доклада координационного совещания по фенопластам. - Кемерово, 1983. - с. 97-98

18. Лем Р.А., Фазилов Т.И. отходы целлюлозно-бумажной промышленности - перспективное вяжущее для закрепления подвижных песков. Тезисы докладов координационного совещания по фенопластам. 1981. - с. 83-84.

19. Лем Р.А. физико-механические свойства защитных покрытий на основе лигносульфонатов. Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 171/18, ТашИИТ, Ташкент, 1981. - с. 64-67.

Аннотация

В настоящей работе рассматриваются теоретические и технологические аспекты структурообразовательного процесса строительных композиционных материалов на основе глинистого сырья Поволжского региона. Результаты исследований структурообразования и рецептур, модифицированных органоглинистых композиций предназначенных для получения стеновых строительных материалов создают предпосылки для дальнейшего исследования их применимости в области гражданского и дорожно-транспортного строительства.

Ключевые слова: геополимер, грунтобетон, структурообразование, ацетоноформальдегидная смола, лигносульфонат технический

The action mechanism of multifunctional purpose organic additives and theoretical and technological aspects of structure formation of the building composite materials based on clay raw materials Volga region were consider in this work. The researching results of structure formation and recipes modified organic clay compositions create prerequisites further research their applicability in scope of civil and road-transport construction.

Keywords: geopolymer, soil concrete, structure formation, acetone formaldehyde resin, technical lignosulfonate

Размещено на Allbest.ru