Влияние вида и концентрации щелочного активизатора на формирование прочности геосинтетических вяжущих

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ ВИДА И КОНЦЕНТРАЦИИ ЩЕЛОЧНОГО АКТИВИЗАТОРА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ

Калашников В.И., д-р техн. наук, профессор,

Нестеров В.Ю., канд. техн. наук, доцент,

Гаврилова Ю.В., аспирант, Кузнецов Ю.С., канд. техн. наук,

профессор, Мамедов М.Т., инженер

Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства

Важнейшей проблемой в строительном материаловедении является создание новых строительных материалов на основе техногенных отходов промышленности, и, в первую очередь тех, которые производятся в глобальных объемах на Земле и оказывают колоссальное негативное воздействие на литосферу.

К таким отходам можно отнести вскрышные породы, отсевы камнедробления нерудных ископаемых и побочные продукты обогащения рудных ископаемых, которые являются неисчерпаемыми источниками сырьевой базы строительных материалов.

Исследования, проводимые кафедрой технологии бетонов, керамики и вяжущих Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (ПГУАС), показали, что многие карбонатные, глинистые и кремнеземистые (силицитовые) породы со скрытокристаллической структурой обладают вяжущими свойствами в смеси со шлаком и активизаторами твердения NaOH и KOH при минимальной дозировке их, равной 2-3% от массы минеральношлакового вяжущего, с формированием высокой прочности. Другим, более дешевым активизатором является кальцинированная сода Na2CO3. Перспективным представился вопрос низкотемпературного синтеза алюмосиликатных систем на основе распространенных кремнеземсодержащих горных пород, отверждаемых щелочью NaOH, выделяющейся в теле бетона за счет реакции каустификации соды известью. Именно комбинация соды и извести должна получить статус щелочного активизатора геосинтетических композитов. В этой связи интерес представляло сравнение роли щелочей, карбонатных солей Na2CO3, K2CO3 и их комбинаций со щелочью NaOH как на кинетику нарастания прочности, так и на процессы твердения геосинтетических композиций.

Особенностью технологии геосинтетических вяжущих [2], полученных на кафедре технологии бетонов, керамики и вяжущих ПГУАС, является использование щелочей NaOH, KOH, щелочных солей (Na2CO3, K2CO3), способствующих повышению в поровой жидкости концентрации ионов OH-, которые вызывают поляризацию и разрыв ковалентных -Si-O-Si- связей.

Схему гидратации минералов-силикатов в присутствии Ca2+ и OH- приводят в своих работах В.Е. Каушанский и И.Н. Тихомиров [3], которые выделяют низкоосновные гидросиликаты с характерной для них группировкой ?Si-OH, за счет которой происходит энергетически выгодная конденсация в процессе твердения:

? Si-OH + HO-Si? > H2O + ?Si-O-Si?

Для реализации такой схемы требуется введение избыточного количества гидроксил-ионов, например, в виде щелочных оснований или гидролизующихся солей.

Схемы щелочной активации предусматривают также использование в качестве активизаторов солей щелочных металлов (Na, K, Li), гидролизующихся в водных растворах с образованием щелочной среды.

Концентрация щелочи в растворе затворения является важнейшим фактором, обуславливающим механизм твердения силицитового вяжущего. Можно полагать, что при высоком содержании щелочи, стехиометрическом для получения силикатов щелочных металлов, вследствие высокого рН среды образование геля поликремневой кислоты не должно происходить, как и в случае использования вулканических стекол, в соответствии с исследованиями Ю.П. Горлова, А.П. Меркина и др. Они полагают, что в этом случае образуются силикаты щелочных металлов [1].

С целью изучения роли NaOH в формировании прочности двухкомпонентной силицитощелочной системы были изготовлены образцы-цилиндры d = 20 мм и h = 20 мм методом силового прессования при давлении 25 МПа. В качестве силицитовой породы использовались песчаники Архангельского и Шемышейского месторождений Пензенской области. Полученные образцы после выдержки в течение 1 суток в воздушно-влажностных условиях подвергались низкотемпературной обработке при tиз=140єC со скоростью подъема температуры 35єC в час в течение 4 часов. Время изотермической выдержки составило 6 часов, а охлаждения - 4 часа.

После тепловой обработки образцы испытывались с целью определения плотности, прочности при сжатии и водостойкости. Данные, полученные в ходе испытания, представлены в табл.1.

При содержании щелочи 3-8% от массы кремнезема образующийся продукт представлен кремнекислотой, которая цементирует зерна кварца. Однако недостаток щелочи (3%) приводит к 2-3-х кратному снижению прочности по сравнению с оптимальным ее количеством (7-8%). При этом существенно снижается водостойкость даже при кратковременном 2-х суточном экспонировании образцов в воде (см. табл. 1).

Длительное хранение образцов в воде приводит к выделению геля кремнекислоты из материала с активным набуханием его и саморазрушением.

материал строительный промышленность отходы

Таблица 1

Влияние концентрации активизатора на прочность и водостойкость образцов на основе песчаников Шемышейского и Архангельского месторождений

В связи с этим были проведены исследования для выявления модифицирующих добавок, обеспечивающих связывание кремнекислоты и стабилизацию структуры материала при длительном воздействии воды. Одной из наиболее эффективных добавок-модификаторов явилась добавка гидроксида алюминия. В сильной щелочной среде гидроксид алюминия реагирует с гидроксидом натрия с образованием гидроксоалюмината натрия. Наличие в системе активного кремнезема либо кремнекислоты способствует образованию гидроалюмосиликатов натрия, устойчивых к воздействию воды. При достаточном количестве новообразований создается перколяционный каркас, связывающий кремнекислоту и обеспечивающий длительную водостойкость материала.

Введение гидроксида алюминия в составы, активизированные щелочью NaOH, приводило, как правило, к значительному снижению прочностных показателей образцов относительно бездобавочных. Однако параметры водостойкости были высокими в течение длительного хранения образцов в воде.

Для выявления влияния комплексных активизаторов твердения на основе щелочи NaOH, соды Na2CO3 и извести Ca(OH)2 на кинетику набора прочности силицитовых композитов с добавкой гидроксида алюминия и без нее были проведены следующие исследования. Из составов были отформованы образцы-цилиндры d = 25 мм и h = 25 мм. Давление прессования составляло 25 МПа. Образы хранились в воздушно-влажностных условиях при tиз=20-22єC в течение 28 суток. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Анализируя табличные данные, можно отметить, что все составы обладают замедленной кинетикой нарастания прочности. Однако очевидно положительное влияние гидроксида алюминия на процесс твердения композиций: прочность образцов почти пропорционально возрастает с увеличением количества добавки. Это свидетельствует об активном участии Al(OH)3 не только в конденсационном, но и в гидратационном процессе.

Таблица 2

Влияние концентрации, вида щелочного активизатора и модификатора на прочностные свойства геосинтетических вяжущих

В следующем эксперименте было рассмотрено влияние комплексных активизаторов NaOH, Na2CO3 и Ca(OH)2, их смеси на процесс твердения силицитовых композитов при тепловой обработке. Для этого были отформованы образцы-цилиндры d = 25 мм и h = 25 мм методом прессования при удельном давлении 15 МПа. Полученные образцы после выдержки в течение 1 суток в естественных условиях подвергались низкотемпературной обработке при tиз=200єC со скоростью подъема температуры 45єC в час в течение 4 часов. Время изотермической выдержки составило 6 часов, а охлаждения - 4 часа. Составы смесей, показатели прочности и водостойкости приведены в таблице 3.

Модификатор Al(OH)3 понижает прочностные показатели геосинтетического вяжущего при дозировке щелочи NaOH в количестве 6% (составы 1-3). При уменьшении дозировки щелочи до 3% и дополнительном введении комплексного активизатора Na2CO3 и Ca(OH)2 (составы 4-6) модификатор Al(OH)3 практически не оказывает влияния на прочностные показатели, хотя коэффициент водостойкости возрастает до 0,92-0,94. Исключение щелочного активизатора NaOH из состава композиций (состав 7) приводит к снижению прочности до 14,7 МПа и уменьшению Кв. Присутствие модификатора повышает прочность композиций, но она при этом остается невысокой.

Таким образом, понижение содержания щелочи NaOH должно быть скомпенсировано увеличением доли Na2CO3 + Ca(OH)2, хотя последние при полном прохождении реакции и выделении стехиометрического количества NaOH, не могут быть полной заменой индивидуально вводимого щелочного активизатора.

В связи с тем, что в результате взаимодействия воды, гидролизной извести Ca(OH)2 и соды Na2CO3 происходит образование щелочи NaOH и кальцита CaCO3.

Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2NaOH

Присутствие молекулярно-распределенной побочной соли CaCO3 в контактных зонах цементируемых частиц негативно сказывается на прочности композита.

Таблица 3

Влияние концентрации и вида щелочного активизатора на прочностные свойства геосинтетических вяжущих

Позитивная роль модификатора Al(OH)3 в повышении водостойкости проявляется во всех исследованных составах [4]. При этом Al(OH)3 обеспечивает высокую водостойкость при долговременном хранении образцов в воде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горлов Ю.П. Отделочные бесцементные материалы на основе кислых вулканических стекол / Горлов Ю.П., Меркин А.П., Буров В.Ю. , Зейфман М.И. // «Строительные материалы» - 1980. - №9. - С. 9-10.

2. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных материалов // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. - Самара, 2004. С. 193-196.

3. Каушанский В.Е., Тихомиров И.Н. Возможности активации жидкой фазы в процессе гидратации вяжущих материалов / Тез. докл. и сообщ. IV Всесоюзн. совещ. по гидратации и твердению цемента. - Львов, 1981. С. 37-43

4. Нестеров В.Ю. Проблема водостойкости силицитовых геополимеров и пути ее решения / Нестеров В.Ю., Калашников В.И., Гаврилова Ю.В., Ерошкина Н.А., Мороз М.Н., Гуляева Е.В., Тростянский В.Н., Чжао Цун // Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2005. С. 148-154

Размещено на Allbest.ru