Исследование состава и структуры искусственных шлакощелочных камней на основе композиционных шлакощелочных вяжущих

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Казанский государственный университет

Исследование состава и структуры искусственных шлакощелочных камней на основе композиционных шлакощелочных вяжущих

Хабибуллина Н.Р., канд. техн. наук, доцент,

Рахимов Р.З., д-р техн. наук, профессор,

Рахимов М.М., инженер, Соколов А.А., инженер

Морозов В.П., к.г.-м.н., доцент

Строительной наукой и практикой в 20 столетии накоплен огромный положительный опыт использования отходов и побочных продуктов промышленности в производстве строительных материалов. Однако, значительная часть разработок не получила должного применения. Дальнейшее развитие наиболее перспективных направлений - один из путей ресурсо- и энергоминимизации, решения экологических вопросов в строительной отрасли. В цементной промышленности к таким направлениям в полной мере относится разработка и исследование шлакощелочных вяжущих и бетонов. Новые их разновидности в последние годы получены в Пензенском ГУАС, Братском индустриальном институте, Тюменской ГАСА и других. Научно-исследовательские работы по получению и исследованию композиционных шлакощелочных вяжущих с местными минеральными добавками (КШЩВ) и бетонов на их основе в последние годы ведутся на кафедре строительных материалов Казанского ГАСУ [1].

КШЩВ отличаются от обычных ШЩВ содержанием в них минеральных добавок, вводимых для замены части шлака и(или) совершенствования структуры и свойств. В качестве минеральных модификаторов может использоваться целый ряд материалов как природного, так и техногенного происхождения. Ценным сырьем являются активные минеральные добавки (АМД) алюмосиликатного состава. АМД, содержащие алюмосиликаты или щелочные алюмосиликаты, изменяя фазовый состав продуктов гидратации (ускоряя выделение вторичных фаз шлакощелочного камня - щелочных и щелочно-земельных гидроалюмосиликатов), оказывают положительное влияние не только на уровень и скорость набора прочности, но и на другие важные эксплуатационные характеристики ШЩВ.

По данным [2,3], глинистые минералы при введении в КШЩВ в составе природных и дегидратированных глин за счет взаимодействия с едкими щелочами и низкомодульными щелочными силикатами с образованием водостойких гидратов, обладающих вяжущими свойствами, не только повышают активность вяжущего, но и снижают количество свободной щелочи (источник высолов). Оптимальное содержание глин в КШЩВ составляет 15-20%. Причем дегидратированные глины более активны, чем природные, вследствие повышенного содержания аморфного кремнезема, который в сочетании с гидроксидом алюминия взаимодействует со щелочью, образуя водостойкие вещества. Несмотря на очевидную эффективность при получении КШЩВ добавок молотого боя керамического кирпича (БКК), с этой целью он ранее не изучался. В качестве добавок к ШЩВ нами исследованы молотые БКК 2 местных кирпичных заводов и полученные от сноса 2 ветхих зданий. Химический состав (масс., %): SiO2 - 72,83-77,52; CaO - 1,67-2,89; Al2O3 - 9,27-12,94; Fe2O3 - 3,9-5,73; MgO - 1,17-1,70; K2O+N2O - 1,93-3,12; MnO - 0,06-0,09; SO3 - 0,07-0,12. Минеральный состав добавок БКК представлен кварцем - 42-74%, полевыми шпатами - 10-19%, гематитом - 2-6%, кристобалитом - 1-6%. Проведенные исследования по разработке КШЩВ с БКК показали, что содержание последних в КШЩВ может достигать 80%, а максимальное повышение прочностных характеристик КШЩВ по сравнению с аналогичными показателями контрольной системы происходит при содержании БКК - 30%.

В число эффективных минеральных модификаторов ШЩВ входят цеолитовые добавки. Это обусловлено их уникальными - адсорбционными и ионообменными свойствами, химическим и минеральным сродством с продуктами твердения ШЩВ. Цеолиты оказывают комплексное действие на свойства КШЩВ: повышают и стабилизируют прочностные и деформативные характеристики, улучшают термомеханические характеристики, снижают высолообразование искусственного камня, позволяют использовать для затворения растворы пониженной плотности и т.д. [4, 5]. Однако в ранее проведенных исследованиях использовались цеолитовые и цеолитсодержащие породы (ЦСП) с высоким содержанием породообразующего минерала. На примере ЦСП Татарско-Шатршанского месторождения РТ нами установлено, что для получения КШЩВ могут использоваться и ЦСП с низким содержанием породообразующего минерала. Химический состав ЦСП Татарско-Шатрашанского месторождения (масс., %): SiO2 -59,5; CaO - 15,3; Al2O3 - 4,7; FeO - 0,04; MgO - 0,8; K2O+N2O - 1,06. Минеральный состав ЦСП: клиноптилолит - 16+3; кальцит - 22+4; ОКТ-фаза - 44+6; глинистые минералы - 12+2; кварц - 6+1. Оптимальное содержание ЦСП в составе КШЩВ составило 5-10%.

Исследования влияния добавок на прочностные характеристики КШЩВ показали, что, например, при введении в ШЩВ на основе доменного шлака Орско-Халиловского металлургического комбината (Мо=1,0) и водного раствора соды добавок ЦСП и БКК (в оптимальном количестве 5-10 и 30% соответственно) марка КШЩВ повышается с М400 до М600.

Для объяснения механизма действия рассматриваемых добавок в составе КШЩВ проведены исследования минерального и фазового состава, микроструктуры искусственных шлакощелочных камней, изготовленных из теста нормальной густоты с использованием указанных сырьевых материалов.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что значительная часть продуктов твердения исследованных образцов представлена рентгеноаморфной фазой, а новообразованиями искусственного камня является кальцит и тоберморит. Полученные результаты согласуются с данными Руновой Р.Ф. и Максунова С.Е. [6], в соответствии с которыми при затворении ШЩВ карбонатом натрия начальный этап времени взаимодействия на уровне катионнообменных процессов сопровождается образованием кристаллического кальцита, а затем уже образующийся едкий натр растворяет стеклофазу шлака и процесс завершается возникновением щелочного гидроалюмосиликатного геля и субмикрокристаллических гидросиликатов кальция. Модифицированные составы отличаются более высоким содержанием кальцита по сравнению с бездобавочным. Очевидно, что объем образующегося кристаллического кальцита зависит от освобождающегося при диспергации шлака кальция. Следовательно, в присутствии добавок БКК и ЦСП процесс деструкции шлака до величины определенных единиц нестабильной структуры, в том числе Са2+, ускоряется и(или) протекает более полно.

Как показано Кривенко П. В. [7] при разработке ШЩВ с заданными свойствами, морфологически однородные с продуктами твердения шлакощелочного камня гидратные соединения или безводные минералы (в нашем случае цеолиты и полевые шпаты, соответственно) служат крентами для кристаллизации вторичных фаз. Наряду с этим, вероятно, интенсифицирует их выделение и вновь образованный кристаллический кальцит, который может служить гетероэпитаксиальной подложкой для образования как первичных (низкоосновных гидросиликатов), так и вторичных фаз. Возможно, этим обусловлена повышенная прочность модифицированной системы, поскольку, когда система состоит из полиминеральных структурообразующих элементов, прочность ее тем выше, чем больше в ней родственных кристаллов высокопрочной структуры [9].

Вторичные фазы образуются преимущественно в поровом пространстве и, заполняя его, способствуют возникновению прочных кристаллизационных контактов с первичными фазами, обуславливая формирование более однородной и плотной структуры цементного камня [7]. Результаты электронномикроскопических исследований, приведенные на рис. 1, показывают, что подобные процессы протекают и в рассматриваемых нами системах.

шлакощелочный камень бетон минеральный

Рис.1 Результаты электронномикроскопических исследований шлакощелочных камней на основе: а) ШЩВ; б) КШЩВ с 30% БКК; в) КШЩВ с 5-10% ЦСП

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Трещины усыхания в гидратированной аморфной фазе при удалении водного раствора соды для модифицированного шлакощелочного камня нехарактерны, поскольку с введением добавок реакция взаимодействия шлака с водным раствором соды протекает более полно. Вместе с тем, при гетерогенном зарождении новообразований - в присутствии крентов, в данном случае - добавок БКК и ЦСП, понижается энергия кристаллизации и размер зерен новообразованной фазы уменьшается [8]. Тонкозернистая структура модифицированного искусственного камня, обеспечивающая гашение внутренних напряжений при структурообразовании и более высокую устойчивость к воздействию внешних напряжений при эксплуатации, вероятно, в числе других факторов, предопределяет более высокую прочность КШЩВ по сравнению с бездобавочным.

Список литературы

1. Рахимов Р.З., Хабибуллина Н.Р., Рахимов М.М., Соколов А.А., Гатауллин Р.Ф. Бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих//Строительные материалы. - 2005. - №8. - с.16-17.

2. Щелочные и щелочно-щелочноземельные гидравлические вяжущие и бетоны/ Под общ. Ред. Проф. В.Д.Глуховского. - Киев: Вища школа, Головное изд-во, 1979. - 232 с.

3. Ростовская Г.С. Исследование грунтосиликатных бетонов на основе вяжущих, содержащих глинистые компоненты: Автореф. дис…к.т.н.-К, 1968.-20с.

4. Кривенко П.В., Пушкарева Е..К., Щербина Л.В. Повышение стабильности физико-механических характеристик шлакощелочных вяжущих в условиях попеременного увлажнения и высушивания// Цемент. - 1991. - №11-12. - с. 9-15.

5. Сидоренко Ю.А. Повышение стойкости шлакощелочных вяжущих и бетонов против высолобразования// Автореф. дисс. к.т.н.-Киев, 1991.- 23с.

6. Рунова Р.Ф., Максунов С.Е. Перспективные направления использования контактно-конденсационных вяжущих//Цемент. - 1990. - №6. - с.8-10.

7. Кривенко П.В. Синтез вяжущих с заданными свойствами в системе Ме2О-МеО- Ме2О3-SiО2-Н2О, Автореф. дисс. … д.т.н. 1986. - 40 с.

8. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. - М: Изд-во МГУ. - 1980. - 368 с.

9. Тимашев В.В., Пантелеев А.С. Твердение вяжущих веществ в присутствии кристаллических добавок различной структуры//Строительные материалы. - 1961. - №12. - С.32-34.

Размещено на Allbest.ru