193-214 - Казанский государственный архитектурно

ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691.217:661.3
Калашников С.В. инженер
Мюнхенский технический университет. Институт строительных материалов и конструкции
Калашников В.И. д-р техн. наук, профессор
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ТОНКОЗЕРНИСТЫЙ ПОРОШКОВЫЙ
ДИСПЕРСНОАРМИРОВАННЫЙ БЕТОН
Максимально высокое водоредуцирующее действие суперпластификаторов (СП) было обнаружено
нами в высокодисперсных суспензиях из
Sуд = 600 - 3000 м2/кг, оксидов цинка, кадмия, железа, висмута, гидроксида и карбоната кальция в 90-х годах.
Возможность 5-15 кратного снижения расхода воды в дисперсиях при сохранении гравитационной растекаемости высококонцентрированных суспензий под действием собственного веса с предельным напряжением сдвига 5-15 Па.
Доказательство того, что пластифицированные литые композиционные вяжущие имеют более высокую
плотность и прочность, как те же по составу непластифицированные прессованные при давлениях 20100 МПа системы [1,2] ориентировали направленность работ материаловедов в сторону создания высокоплотных и высокопрочных строительных материалов, в том числе и бетонов из литых маловодных дисперсий. Этому могли способствовать и полученные отечественными учеными цементные и композиционные
вяжущие низкой водопотребности. Однако высокий уровень научных работ отечественных ученых в области реологии пластифицированных дисперсных систем и создания новых видов вяжущих с предварительно
нанесенным при помоле на поверхность минеральных частиц сухого СП не стал прорывом в области производства литых высокопрочных бетонов марок 1200-1400, тем более особовысокопрочных – марок 18002500.
Предложенные в Канаде и во Франции [3,4] новые порошковые дисперсноармированные бетоны без
крупных заполнителей и песка крупностью более 0,3-0,5 мм, явилось результатом реализации трех революционных этапов в технологии бетонов. Это, прежде всего, использование гиперпластификаторов нового поколения, микрокремнеземов, дисперсных стальных волокон и каменной муки из высокопрочных горных пород. Полученные тонкозернистые бетоны с прочностью на сжатие 120-150 МПа, имея прочность на осевое
растяжение 6-8 МПа, и растяжение при изгибе 12-16 МПа в нормативные сроки твердения могли быть превращены в особо высокопрочные бетоны с прочностью при сжатии 180-250 МПа. Это достигалось пропариванием их на промежуточной стадии формирования прочности через 4-5 суток нормального твердения. В
условиях тепловой обработки микрокремнезем полностью реализовал свои пуццоланические свойства.
Используя отечественный опыт изготовления ВНВ с применением СП С-3, Российские портландцементы ПЦ М500 ДО производства «Вольскцемент» и «Осколцемент», обогащенный отсев Сурского песка
фракции 0,14-0,63 мм, базальтовый порошок с Sуд = 350 м2/кг, микрокремнезем Челябинского электромелаллургического комбината, стальную фибру диаметром 0,15 мм. и длиной 6 мм., мы в лаборатории кафедры
ТБКиВ изготовили порошковые бетоны с целью сравнения их свойств со свойствами бетонов, изготовленных в лаборатории института строительных материалов и конструкций Мюнхенского технического университета. Лабораторная база института строительных материалов отличается наличием высокомеханизированного смесительного и испытательного оборудования. Для перемешивания бетонной смеси используется
уникальный лабораторный турбулентный смеситель фирмы «ЕRICH» с наклонным расположением смесительной емкости, с регулируемой скоростью вращения лопастей специфической геометрии. Смеситель оборудован устройствами регулирования температуры и вакуумирования. Это позволило при изготовлении бетонной смеси обеспечить относительно малое время перемешивания (5 мин 45 сек, включая «отдых» смеси
2 минуты), гомогенное подмешивание самых малых количеств добавок, удаление воздуха из смеси. Введение компонентов в бетонную смесь и перемешивание осуществляли по особой рецептуре, разработанной в
институте стройматериалов. В лаборатории кафедры ТБКиВ перемешивание осуществлялось в простом
турбулентном смесителе без регулирования температуры и удаления воздуха. Текучесть смеси контролировали по расплыву конуса от встряхивающего столика (по ГОСТ 310-76), что находится в соответствии с
германской методикой.
Рецептура бетонов не отличалась между собой. В германской рецептуре использовались гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе FM 787, два вида микрокремнезема (Фирма RW – Fuller и Elcem
940) и два вида цемента марки СЕM42.5.
193
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Таблица
Влияние состава на свойства бетонных смесей и бетонов
Соотношение
компонентов
20
11
5,0
1,51
28
1,26
0,53
0,40
0,20
0,32
27,5
2,44
2,6
96.6
132.6
20
11
5,0
1,51
28
1,26
0,53
0,40
0,20
0,32
30,5
2,46
2,2
109,8
149,4
15
11
5,0
1,51
28
1,26
0,53
0,40
0,15
0,33
24,0
2,32
4,5
82,0
115,0
15
11
-
2,2
23
1,91
0,53
0,40
0,15
0,33
27,6
2,42
3,6
101,2
137,0
15
11
-
2,2
23
1,91
0,53
0,40
0,15
0,33
25,4
2,39
4,2
93,1
121,1
Пр-во
кг/м3
М18
Bemb.
698,8
135
М19
Be mb.
698,8
135
54
М20
Geseke
698,8
135
54
С-1
Вольск
698,8
135
54
Вол ьск
698,8
135
54
Ста р.Оскол
698,8
135
54
Rсж 7сут
28с ут
103,7
137
Elcem 940
Соде ржание
Воздуш н ы х пор
5,1
Средняя
Плотность
2,42
Ра с п л ы в
25,9
В/Ц
0,32
МК/Ц
Цемент/
(Песок+Базальт)
0,20
Базал ьт/песок
ГП(с ухой)/(Ц+МК),
0,40
Вода
0,53
RW-Fuller
ГП, СП (сух)
1,26
ЧЭМЗ
ГП, СП
(раствор)
28
ЧЭМЗ
Стальное
волокно
1,51
МК
RW-Fuller
5,0
ЧЭМЗ
Базальтовый
порошок
11
54
С-2
Песок
Свойства
20
Массовый процент по отношению к цементу
С-3
№ состава
Цемент
Исходные материалы
см
г/см3
%
МПа
Содержание волокон по объему составляло 1%. Как следует из таблицы германские составы М18, М19
и М20 отличаются лишь видами цемента и микрокремнезема. При использовании одного и того же цемента
СЕМ I 42,5 R HS Bernburg в составах М18 и М19, но различных микрокремнеземов RW-Fuller и Elcem 940
расплыв смеси на последнем составе возрос на 5,4%, что привело к уменьшению вовлеченного воздуха, незначительному повышению плотности, однако прочность в 7-ми и 28-ми суточном возрасте понизилась на
5,8-3,6%. Это, очевидно, связано с влиянием вида микрокремнезема. Сочетание цемента СЕМ I 42,5 R HS
Gesece и микрокремнезема RW-Fuller позволило получить более текучую бетонную смесь с более низкой
пористостью и повысить прочность до 149 МПа. Использование суперпластификатора С-3, вводимого в количестве 50% (от общей дозировки) со всей водой затворения в первую стадию и остаточного количества –
во вторую (в соответствии с процедурой приготовления германских составов) не позволило получить достаточно близких результатов по прочности к составам М18 – М-20. Прочностные показатели были ниже на
16% (7 сут.) и на 23% (28 сут.), чем у оптимального состава М20.
Кратковременный домол Вольского цемента с базальтовой мукой и микрокремнезема с сухим порошком С-3 позволил достичь удовлетворительной текучести, повышенной плотности бетона и получить одинаковую прочность с бетоном М18. Использование Старооскольского цемента и изготовление на его основе
композиционного вяжущего низкой водопотребности путем кратковременного домола составляющих не
позволило получить позитивных результатов, вероятно, вследствие худшей совместимости Старооскольского цемента с суперпластификатором С-3. Попытка изготовить реакционно-порошковые бетоны с 20% мик-
194
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
рокремнезема от массы цемента не увенчалась успехом. Для получения оптимального расплыва смеси 2730
см. необходимо было увеличить водо-твердое отношение до 0,38, что заметно сказывалось на понижении
прочности. Вероятно, качество микрокремнезема ЧЭМК было не столь высоким по сравнению с качеством
германских МК. Использование особо чистых и более дисперсных микрокремнеземов БС-100 и БС-120 производства Стерлитамакского объединения «Сода» еще в большей степени загущало бетонные смеси и требовало повышения водосодержания.
Выводы
1. При использовании отечественных сырьевых материалов могут быть получены тонкозернистые армированные высокопрочные бетоны с нормативной прочностью при осевом сжатии 120-130МПа.
2. Для достижения высокой прочности необходимо использовать цементы, хорошо сочетающимися с
суперпластификатором С-3. При этом композиционное вяжущее должно быть приготовлено совместным
домолом компонентов с сухим порошком С-3 для получения ВНВ.
3. При введении суперпластификатора с водой затворения необходимо использовать высокоскоростные
смесители специальной конструкции с возможностью удаления воздуха.
4. Расплыв бетонной смеси должен находиться в пределах 26-30 см при низких водотвердых отношениях от 0,105-0,115 (В/Ц = 0,315-0,345).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Калашников В.И., Иванов И.А. Особенности реологических изменений цементных композиций под
действием ионностабилизирующих пластификаторов//Сб.трудов «Технологическая механика бетона»: – Рига:РПИ,1984. – с.103-118.
2.Калашников В.И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства
строительных материалов.//Диссертация на соискание степени доктора технических наук в форме научного
доклада.–Воронеж,1996, 89 с.
3. Richard P., Cheurezy M. Composition of reactive Powder Concrete. Skientific Division Bougies. //Cement
and Concrete reseach, Vol.25. No 7, pp.1501-1511, 1995.
4.Dallaire E., Bonnean O., Lachemi M., Aitsin P.-C. Mechanical Behavior of Consined Reactive Powder Concrete.//American Sosiete of Civil Engineers Materials Engineers Materials Engineering Conference. Washington.
DC. Noveber. 1966, Vol.1, pp. 555-563.
195
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691. 217: 661.3
Калашников В.И., д-р техн. наук, профессор; Мороз М.Н., инженер,
Хвастунов В.Л., канд. техн. наук, доцент, Кудашов В.Я., инженер
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ВЫСОКОГИДРОФОБНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ
МАЛОШЛАКОВЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ
С НАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
Новые позитивные результаты в области создания особовысокопрочных, безобжиговых, низкощелочных, бесцементных и безшлаковых материалов из осадочных и вулканических горных пород, получены в
последние годы на кафедре «Технология бетонов, керамики и вяжущих» Пензенского государственного
университета архитектуры и строительства 1,2. Предпосылкой к выявлению твердеющих систем на основе
горных пород, щелочей и модифицирующих добавок послужили экспериментальные результаты по получению малошлаковых вяжущих из горных пород 3,4.
Нами установлено, что оптимальное соотношение основного активного компонента по отношению к
породе в минеральношлаковом вяжущем (МШВ) составляет 60:40. Многие регионы России не имеют металлургических заводов, поэтомуставилась задача уменьшить основные расходы на транспортировку доменных металлургических шлаков из других регионов, снизить долю шлака в композиционном вяжущем до
25-30% и оценить физико-технические свойства таких малошлаковых вяжущих.
В отличие от доменного шлака – основного твердеющего компонента смешанного вяжущего – но не
столь широко распространенного, отходы горных пород различного генетического происхождения имеются
во многих регионах. Огромное количество горных пород содержится в отвалах, которые ежегодно в мире
пополняются на 100 млр. тонн. Эти породы требуют глубоких исследований с целью оценки их реакционной активности со шлаками, щелочами, щелочными солями в композиционных вяжущих. Способны ли они
образовывать в таких смесях твердеющие структуры не только при воздействии высоких температур (150350°С), но и при нормально-влажностных режимах твердения?
При уменьшении доли шлака до 25-30% физико-технические свойства таких новых малошлаковых
геовяжущих и бетонов на их основе отличаются от свойств, высокопрочных минеральношлаковых вяжущих, разработанных в ПГУАС, при оптимальном соотношении «шлак:горная порода» – «60:40». Немаловажной является задача оценки долговечности геошлаковых вяжущих, в частности, водостойкости, трещиностойкости и морозостойкости.
Основным недостатком МШВ при пониженном содержании в нем активного компонента, является повышенное водопоглощение и низкий коэффициент водостойкости, не превышающий 0,55-0,65 в зависимости от вида породы, что не позволяет отнести такие минеральношлаковые вяжущие к достаточно водостойким системам. Учитывая неадекватное отношение к щелочам и к шлаку различных природных минералов,
необходимо было расширить диапазон пород и исследовать тройные минерально-шлаковые системы, в которых в качестве компонентов вяжущего использовались две или три разновидности пород.
Для определения реакционной активности таких смешанных вяжущих были выбраны породы различного происхождения: глауконитовые и кремнеземистые песчаники (Пензенского месторождения) и граниты.
Породы подвергали дроблению и последующему помолу до состояния дисперсного порошка. Удельная поверхность (по прибору ПСХ-2) для глауконита составляла – 1300 м2/кг, песчаника –300 м2/кг и для гранита –
410 м2/кг.
При исследовании процесса твердения данных пород в индивидуальном виде при затворении их 6%ым раствором щелочи NaOH, нами было установлено, что только одна из них – порода магматического происхождения обладает низкой реакционной активностью со щелочами. Также установлено, что и воздействие
сухого прогрева при t = 150°С незначительно повышает прочность гранито-щелочного вяжущего. Все
остальные породы: глауконитовые и кремнеземистые песчаники и халцедоны проявляют высокую активность при воздействии температуры. В связи с полученными результатами, нами были использованы граниты как малоактивная горная порода в качестве тонкодисперсного наполнителя в системе комплексных композиционных вяжущих «гранит:шлак:глауконит» и «гранит:шлак:песчаник». Процентное массовое соотношение компонентов в таком геошлаковом вяжущем составляет – «60:24:16», соответственно.
В качестве мелкого заполнителя использовали Сурский песок. В мелкозернистом бетоне соотношение
между композиционным геовяжущим и заполнителем составляло – 1:1,5. В качестве активизатора твердения
системы применялась щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего при влажности смеси 8%. Образцы-балочки с размерами 40×40×160 (мм) изготавливались методом прессования при давлении 25 МПа.
Для повышения водостойкости мелкозернистых бетонов на геошлаковых вяжущих при длительном
экспонировании образцов в воде и повышения коэффициента длительной водостойкости использовались:
196
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
для структурной гидрофобизации – гидрофобизатор стеарат кальция [Са(С18Н35О2)2], вводимый непосредственно в тело бетона при его дозировке 2,5% от массы геовяжущего; для поверхностной гидрофобизации –
гидрофобизирующая жидкость «АКВАФРИ S -100», представляющая собой смесь силанов и силоксанов и
гидрофобизатор – лак «ВВМ-М-7».
Поверхностная пропитка испытуемых образцов осуществлялась следующим образом: балочки перед
пропиткой обезвоживались в эксикаторе над хлоридом кальция при влажности W = 5-10% до стабилизации
массы. Поверхностная пропитка лаком «ВВМ-М-7» производилась методом распыления пульверизатором в
2 слоя; гидрофобизирующую жидкость «АКВАФРИ S-100» разводили водой до соотношения 1:4 и пропитывали методом погружения в ванночку на 10 минут. После пропитки образцы хранили в нормальновлажностных условиях до подсыхания пропитанного слоя и определяли кинетику водопоглощения по массе
(по ГОСТ 12730.3-78) и кинетику капиллярного подсоса.
Капиллярный подсос бетона определяли в соответствии с ЕN 1015–18:2002 на балочках того же размера, установленных в воду вертикально на глубину 7 мм. В ходе эксперимента производили наблюдение за
высотой подъема воды по перемещению границы смачивания образцов.
10
А)
Водопоглощение по массе,%
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
100
1000
Контрольный
"Лак ВВМ -М -7"
Б)
10000
Время, мин
100000
1000000
"Аквафри S 100"
Стеарат кальция
10
Водопоглощение по массе,%
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
100
1000
10000
100000
1000000
Время, мин
Контрольный
"Лак ВВМ -М -7"
"Аквафри S-100"
Стеарат кальция
Рис.1. Кинетика водопоглощения гидрофобизированных ГтШГлП (а) и ГтШПП (б) бетонов
197
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
А)
Капиллярный подсос по массе, %
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
100
1000
10000
Время, мин
Контрольный
"Лак ВВМ -М -7"
100000
1000000
"Аквафри S-100"
Стеарат кальция
Б)
Капиллярный подсос по масее,%
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
100
1000
10000
Время, мин
100000
1000000
Контрольный
"Аквафри S-100"
"Лак ВВМ -М -7"
Стеарат кальция
Рис.2. Кинетика капиллярного подсоса гидрофобизированных ГтШГлП (а) и ГтШПП (б) бетонов
На рис 1 (а;б). показана кинетика водопоглощения песчанистого бетона на гранитошлакоглауконитовом (ГтШГлП) и гранитошлакопесчаниковом (ГтШПП) вяжущих. Сравнивая кинетические кривые капиллярного водонасыщения двух бетонов, отмечается адекватность гидрофобного действия, как стеарата кальция, так и пропитывающих жидкостей: кривые водопоглощения бетонов ГтШГлП и ГтШПАП, гидрофобизированные жидкостью «АКВАФРИ S-100» почти симбатны при наложении их на один график. Так же
близки значения водопоглощения в этих двух бетонах, пропитанных лаком «ВВМ-М-7». Различный характер кривых водопоглощения бетонов со стеаратом кальция и бетонов, пропитанных жидкостью с поверхности, определяется различными механизмами гидрофобизации. Эффективность объемной (структурной) гидрофобизации стеаратами, особенно при длительном нахождении в воде, невысока. Через 10-200 суток экспонирования в воде уменьшение водопоглощения по сравнению с контрольным, не превышает 10-15%.
В этом случае, по нашему мнению, проявляется кольматационный механизм гидрофобизации. Более
крупные частицы порошка перекрывают капиллярные каналы, а мелкие могут вклиниваться в стенки капилляров.
Эффективность пропитки бетонов гидрофобизирующими жидкостями, очень высокая. В начальные
сроки (до 17 часов) экспонирования в воде образцов-бетонов, пропитанных гидрофобизирующей жидкостью
– лаком «ВВМ-М-7», миграция воды в поры бетона практически отсутствовала. Однако через 15-17 часов
водоупорные свойства снижаются, водопоглощение усиливается на значительном временном интервале и
стабилизируется к 100-200 суткам на одном уровне (5,8%), но стабилизационный уровень наступает значительно раньше (через 12 суток), а значение его ниже (3,8-4,2%)
198
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Более эффективной гидрофобизирующей жидкостью для таких бетонов при более длительном выдерживании в воде является «АКВАФРИ S-100». Хотя в начальные сроки эффективность гидрофобизации
уступает лаку «ВВМ-М-7». Водопоглощение по массе гидрофобизированного бетона этой жидкостью на
ГтШГл и ГтШП вяжущих в поздние сроки (через 200 суток) стабилизируется на одном уровне и снижается в
2,2 раза по сравнению с контрольным.
На рис. 2 (а;б) представлена кинетика капиллярного подсоса гидрофобизированных бетонов. Контрольный и гидрофобизированные бетоны на гранитоглауконитошлаковом вяжущем обладают меньшим капиллярным водопоглощением, чем бетоны на гранитопесчаникошлаковом вяжущем, что, вероятно, объясняется из различной капиллярно-пористой структурой. В процессе длительного капиллярного подсоса мелкозернистых бетонов контрольных составов отмечено, что к 1-м суткам высота подъема жидкости по капиллярам находится в пределах 53-60% от высоты образцов-балочек.
При введении стеарата кальция уровень подъема воды составляет 14-23% от высоты образца. На балочках, пропитанных гидрофобными покрытиями, вода практически не проникает в тело бетона: высота
подъема составила лишь 1,7-2,5% от высоты образца.
В ходе длительного капиллярного подсоса в течение трех месяцев и последующего естественного высушивания отмечено полное отсутствие высолообразования на поверхности гидрофобизированных гранитошлакоглауконитопесчаного и гранитошлакопесчаникопесчаного бетонов (рис. 3).
Полученные нами высокогидрофобные малошлаковые бетоны имеют достаточные значения прочности, соответствующие многим стеновым строительным материалам. Так, прочность бетонов на осевое сжатие через 28 суток при нормальных условиях варьировала от 23 до 30МПа.
Рис. 3 Высолообразование на контрольных составах бетона ГтШГлП (слева) и ГтШПП (в центре) и бетона
ГтШГлП пропитанного гидрофобизирующей
жидкостью «АКВАФРИ S-100» (справа).
Отличие кинетических кривых водопоглощения бетонов, пропитанных жидкостями «АКВАФРИ S100» и лаком «ВВМ-М-7», позволило высказать гипотезу о различных механизмах гидрофобизации. Можно
полагать, что степень проникновения молекул полимера в поры бетона будет определяться соотношением
размеров пор к размеру молекул полимера. При большой молекулярной массе полимера, миграция молекул
возможна лишь в крупные поры материала. В этом случае будет проявляться лишь частичное проникновение полимера в поверхностные слои бетона. Дополнительная гидрофобизация будет обеспечиваться образованием пленки на поверхности изделия. При невысокой молекулярной массе полимера степень заполнения
пор материала будет более высокой и эффект гидрофобизации будет возрастать. При этом не исключается и
образование пленки полимера на поверхности изделий.
Механизм поверхностной гидрофобизации лаком «ВВМ-М-7», по нашему мнению, обусловлен лишь
поверхностным покрытием образцов полимером и отсутствием сколь-либо заметного проникновения в поры
материала. Это, по всей вероятности, объясняется высокой молекулярной массой полимера или развлетвленностью молекул и невозможностью проникания их в поры бетона из-за стерических условий. В данном
случае имеет место поверхностно-пленочный механизм гидрофобизации.
Капиллярно-проникающий механизм гидрофобизации жидкостью «АКВАФРИ S-100» обусловлен не
только проникновением полимера с меньшей молекулярной массой и малыми размерами молекул полимера,
но и поверхностно-пленочной защитой материала. Правильность высказанной гипотезы подтверждается
расходами полимера на 1 м2 поверхности.
Касаясь экономических показателей гидрофобизации, необходимо отметить, что несмотря на более
высокую стоимость жидкости «АКВАФРИ S-100» по сравнению с лаком «ВВМ-М-7», затраты на гидрофобизацию с использованием первого гидрофобизатора значительно ниже. Гидрофобизирующая жидкость
199
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
«АКВАФРИ S-100» используется после разбавления ее 4-х кратным количеством воды до рабочей концентрации. Таким образом, стоимость единицы объема снижается в пять раз. Кроме того, жидкость «АКВАФРИ
S-100» экологически- и пожаро- безопасна, а лак «ВВМ-М-7», в котором растворителем является толуол, не
обладает такими позитивными свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих. //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара,
2004. – с. 193-196.
2. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Мороз М.Н. и др. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей//Современное состояние и
перспектива развития строительного материаловеления: Восьмые академические чтения отделения строительства наук РААСН. – Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. – Самара, 2004. – с. 205-209.
3. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Москвин Р.Н., Нестеров В.Ю., Мороз М.Н. Роль
и значение сильных щелочей и температурных условий в синтезе прочности минеральношлаковых и
геошлаковых вяжущих. Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник статей
Международной научно-технической конференции. – Пенза, 2005. – с. 71-78.
4. Хвастунов В.Л., Москвин Р.Н., Хвастунов А.В., Краснощеков А.А. Влияние рецептурных, структурных и технологических факторов на основные свойства минеральношлаковых вяжущих//Новые энерго- и
ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов: сборник статей
Международной научно-технической конференции. Пенза, 2005. – с. 194-204.
200
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691.217:661.3
Калашников В.И. д-р техн. наук, Хвастунов В.Л. канд. техн. наук, доцент, Мороз М.Н. инженер,
Калашников С.В. инженер, Дудукин М.А. инженер, Кудашов В.Я. инженер
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
ИЗ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Получение геосинтетических вяжущих из горных пород предусматривает использование химических
активизаторов, в основном щелочного типа и модифицирующих добавок. Такое направление, развиваемое
кафедрой ТВКиВ Пензенского ГУАС, позволило в последние годы получить обезнадеживающие результаты
по созданию вяжущих из силицитовых (кремнеземистых и глауконитовых песчаников), гравелитовых, диоритовых, базальтовых пород или их комбинаций [1,2].
Были получены безобжиговые водостойкие вяжущие средней и высокой прочности от 40 до 150 МПа и
более в зависимости от вида щелочного активизатора, модификатора для связывания свободной кремнекислоты и вида тепловой обработки (пропаривания, сухой прогрев). Однако получение геосинтетических вяжущих на воде без химических активизаторов твердения и модификаторов состава и структуры до настоящего времени представляло не решенную задачу. Хотя многие ученые изучали гидравлическую активность
горных пород и отходов промышленности, прежде всего отходов ГОКов. В 1933 г М.Ф.М едведев первым обратил внимание на наличие вяжущих свойств у отходов асбестообогатительных фабрик [3], в
1951 г О.П. Мчедлов-Петросян исследовал вяжущие свойства серпентина, подвергнутого обжигу при
1000°С, в 1953г П.И. Боженов и B.C. Сальникова [3] исследовали возможность исследования широкого
круга силикатов магния и их аналогов, содержащихся в горных породах и попутных продуктах промышленности, для производства различных строительных материалов. Их исследования были сосредоточены
на изучении поведения тонких порошков чистых минералов, в основном силикатов и алюмосиликатов
магния, в условиях нормального твердения и при гидротермальной обработке, в том числе и автоклавной.
Причем безводные минералы испытывались без термической обработки, водные - обезвоживались при
температуре от 100 до 800 °С. Результаты испытаний затворенных водой тонкоизмельченных природных
силикатов показали, что происходит их схватывание и твердение с формированием прочности в нормальных условиях До 2,3 -2,9 МПа, в условиях автоклавной обработки до 25,3-28,7 МПа.
В работах Юнга В.Н. совместно с Бубениным И.Г. [4] были изучены разнообразные горные породы с
точки зрения их гидравлической активности, причём их внимание в большей степени привлекли те породы,
которые, во-первых, являлись отходами производства, а во-вторых, породы, которые в процессе переработки и обогащения подвергались измельчению или даже перемолу в порошкообразное состояние, что естественно
облегчало возможность их использования для производства вяжущего материала и строительных изделий. В таблице приводятся характеристики горных пород и отходов производства, отобранных для их исследования на гидравлическую активность.
Для определения активности порошков их подвергали выщелачиванию 5% раствором соды, определяли
общее количество поглощённого гидрата окиси кальция, выражаемого в мг СаО на один грамм порошка. Результаты испытаний свидетельствовали о том, что тонкие порошки при взаимодействии с водой и раствором извести
способны образовывать цементирующий гель при комнатной температуре.
Однако при обычных температурах твердения удовлетворительного эффекта удалось добиться на прессованных образцах при давлении 100 кг/см2, так как отдельные частицы порошков в таких образцах достаточно
сближены и плёнки коллоидальных новообразований на поверхности зёрен способны слиться в общую цементирующую массу.
В таблице приведены обобщённые результаты проведённых исследований, т.е. приводится химический и
минералогический состав порошков горных пород минералов, прочностные характеристики затворённых водой вяжущих на их основе в различные сроки твердения, а также с использованием в качестве добавок к ним
25 % гидратной извести и 5 % гипса. Образцы от момента изготовления до их испытания твердели в эксикаторах над водой.
По результатам проведённых исследований Юнг В.Н. сделал вывод о том, что порошки горных пород,
особенно из дунита и натролита (состав 1,7; табл. 1) при твердении с водой при комнатной температуре
имеют гидравличность, которая в значительной степени увеличивается при введении в состав порошков добавок в виде гидрата извести и гипса.
Для выяснения структуры затвердевших порошков горных пород были изготовлены и проанализированы
тонкие микрошлифы из образцов трёхмесячного возраста. Так, например, при рассмотрении тонкого шлифа из
затвердевшего порошка дунита, затворенного водой без добавок установлено, что образец состоит из большого количества обломков кристаллов оливина размерами от 0,01 до 0,08 мм, значительного количества зёрен
магнетита и меньшего количества обломков волокнистых кристаллов серпентина.
201
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Таблица
Прочностные показатели горных пород
№
Горные пороп
ды и отходы
/
производства
п
1
1
2
3
4
5
6
2
Отходы
при
обогащении
дунита на платину (магнетит,
серпентин,оливин)
Отходы
при
переработке
хризотиласбеста на асбест
(магнетит, серпентин)
Вторичные
кварциты порфировых медных руд
Отходы талькового производства
Глауконитовый песок
фосфоритных
происхождений
Пироксен
(байкалит)
7 Натролит
8 Эгирин
9
Роговая
обманка
Предел прочности
на сжатие
Химический состав горных пород
Формула
ч/з
28
дней
12
ч/з
90
дней
13
5,2
10,5
13,2
без добавки
4,7
14,7
22,5
25% Ca(OH)2
5,0
6,5
5,0
без добавки
7,2
12,5
15,5
25% Ca(OH)2
-
1,5
1,4
1,0
6,0
0,2
17,2
без добавки
25% Ca(OH)2
12,6
-
0,9
1,5
1,0
8,2
15,0
без добавки
25% Ca(OH)2
3,4
3,5
3,5
без добавки
7,0
5,5
6,2
12,0
25% Ca(OH)2
R2O3
CaO
MgO
SO3
П.П.
П
H2O
3
4
5
6
7
8
9
10
(Mg, Fe)2[SiO4]
Mg6[Si4O10]
[OH]8
Fe Fe2O4
33,8
10,4
1,0
42,5
0,2
9,9
3,0
Mg6[Si4O10]
[OH]8
Fe Fe2O4
40,3
-
79,3
15,7
1,2
-
0,8
2,2
Mg2[Si4O10]
[OH]2
48,5
7,4
2,4
29,7
-
(Fe3+, Fe2+)2-2,5
39,8
28,9
19,1
2,2
-
11,9
1,0
36,4
0,1
Состав
порошков
ч/з
7
дней
11
SiO2
10,9
14
-
-
53,8
5,4
24,1
16,3
0,5
0,2
-
1,5
1,2
5,0
-
без добавки
25% Ca(OH)2
Na
[Al2Si2O10]×2H
2O
41,4
33,9
4,1
0,5
0,6
11,2
-
2,0
7,5
12,0
1,0
9,7
12,2
-
без добавки
25% Ca(OH)2
5% гипса
NaFe[Si4O10]
51,8
40,0
2,0
1,4
0,6
2,5
-
0,1
2,3
4,5
0,5
5,0
11,7
-
без добавки
25% Ca(OH)2
5% гипса
(Na, K)0-1
(Ca,Na)2( Mg,
Fe2+,Al,Fe3+,
Ti)5 ×(OH, F,
Cl, O)2
[(Si,Al)4O11]
52,8
12,6
8,8
20,5
0,4
2,0
-
1,0
1,0
2,7
2,5
5,0
8,2
-
без добавки
25% Ca(OH)2
5% гипса
Цементирующей массой является субмикроскопическое зернистое изотропное, слегка буроватое вещество. Обломки кристаллов оливина, магнетита, серпентина и других минералов равномерно распределены в
цементирующей массе и отделяются прослойкой толщиной от 0,005 до 0,015 мм. Также отмечено, что отчётливой границы между кристаллами оливина и цементирующей массой не обнаружено, причём эта масса
занимает около 36% объёма затвердевшего твёрдого тела. В тонком микрошлифе из затвердевшего порошка
отходов хризотиласбеста обнаружено большое количество обломков волокнистых кристаллов серпентина,
магнетита, оливина и небольшие скопления мелкокристаллического карбоната, сцементированных субмикроскопически зернистой изотропной массой.
В цементирующей массе наблюдаются мелкие зёрнышки карбоната, а также равномерно распределённые обломки кристаллов серпентина, магнетита и оливина с толщиной прослоек от 0,005 до 0,1 мм. Размеры обломков кристаллов колеблются от 0,003 до 0,03 мм.
Приведенные результаты показали способность тонкоизмельчённых порошков горных пород к гидравлическому твердению, причём применение различных добавок (извести, гипса и др.), усиливающих процесс гидратации и формирования коллоидных новообразований, увеличивает количество минералов, способных дать при тонком перемоле вяжущие вещества.
Образцы из отходов дунита и хризотиласбеста с прочностью 15-22 МПа можно использовать, например, для производства прессованных строительных изделий и деталей (плитки, блоки и т.п.).
Новые уникальные результаты, полученные нами при изучении гидравлических свойств тонкозернистой волокнистой модификации кремнезема – халцедона Иссинского месторождения Пензенской области.
Эта порода по происхождению относится к колломорфной, образовавшаяся в результате затвердевания кол-
202
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
лоидного раствора. Истинная плотность ее составляет 2,56 г/см 3, твердость по шкале Маосса – 6,5. Для изучения гидравлической активности халцедон измельчали до удельной поверхности 300 и 900 м 2/кг. На первой
стадии изучили реологические свойства суспензии халцедона с дисперсностью 900 м 2/кг в присутствии зарубежных и отечественных суперпластификаторов на меламиновой основе СМF-10, Меlment F-10), поликарбоксилатной (Melflux PP 100 F, Melflux PP 1641 F, Woerment FM 787) и нафталинсульфокислотной основе (С-3). Дозировка суперпластификатора составляла 1% в пересчете на сухое вещество от массы халцедона.
Суперпластификатор вводился с водой затворения. Выявлено, что из совокупности горных пород – диабаза,
песчаника кремнеземистого, песчаника глауконитового, гранита, диорита, халцедон является чрезвычайно
высокоизбирательной горной породой по отношению ко всем указанным суперпластификатором. Водоредуцирующий эффект суспензии халцедона достигает трехкратного значения. Водо-твердое отношение
контрольной суспензии, равное 0,5, снижается до 0,18 при сохранении гравитационной растекаемости при
предельном напряжении сдвига 10-15 Па. Такое снижение водосодержания позволило методом литья суспензии с СП С-3 изготовить образцы-кубы с размерами 30 × 30 × 30 мм.
Образцы в первоначальный период до 3-х суток твердели в естественно-воздушных условиях, а затем в
воде в течение 25 суток. В 28-ми суточном возрасте образцы были испытаны на осевое сжатие. Их прочность составила 44 МПа, что значительно выше прочностных показателей отверждённых горных пород,
представленных в таблице. Прочностные показатели халцедона, затворенного водой с суперпластификатором С- 3, значительно превышают прочность силикатов магния и их аналогов [3], твердевших в условиях
автоклавной обработки.
Попытка понизить водоудержание халцедоновой суспензии путем замены (на 60% по массе) высокодисперсного порошка с удельной поверхностью 900м2/кг на халцедон с Sуд=300 м2/кг, не позволила получить заметного позитивного результата: водотвердое отношение понизилось с 0,180 до 0,165. Несмотря на
понижение водосодержания, образцы из такой смеси имели низкую прочность, как при твердении на воздухе и размучивались в воде. Это позволило высказать гипотезу о том, что присутствие более грубомолотого
халцедона отрицательно сказалось на «наработке» коллоидной фазы, цементирующей композицию.
Предположительно цементирующим веществом является кремнекислота, в связи с тем, что содержание
кремнезема в халцедоне по результатам химического анализа составляло 96,7 %. Можно полагать, что к
формированию твердеющей структуры с водой способны и другие породы колломорфного происхождения,
что требует дополнительных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих. //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара,
2004. – с. 193-196.
2. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Мороз М.Н. и др. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей//Современное состояние и
перспектива развития строительного материаловеления: Восьмые академические чтения отделения строительства наук РААСН. – Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. – Самара, 2004. – с. 205-209.
3. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология.-М: изд-во АСВ, 1994.264 с.
4. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. М.:Госстройиздат.-1951.-547 с.
203
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691.542.001.4:539.217.2/3
Калашников В. И., д-р. техн. наук, профессор, Махамбетова К. Н., инженер, Коровкин М. О. , инженер
Нестеров В. Ю., канд. техн. наук, доцент, Тростянский В. М., инженер
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК
В ШТУКАТУРНЫХ РАСТВОРАХ
В последнее время в строительстве прослеживается повышение интереса не только к цене строительных материалов, но и к повышению их качественных характеристик, особенно долговечности. Повышение
срока эксплуатации строительных материалов следует рассматривать как одно из наиболее перспективных
направлений ресурсосбережения в строительстве, а также снижения затрат на ремонтные работы в процессе
эксплуатации зданий и сооружений.
Для выполнения защитных функций в течение длительного периода времени минеральные штукатурки
должны обладать в затвердевшем состоянии достаточной адгезией к подложке, механической прочностью,
трещиностойкостью, низким коэффициентом водопоглощения, хорошей способностью к высыханию, что в
совокупности обеспечивает стойкость к атмосферным и температурным воздействиям и, соответственно,
высокую долговечность штукатурных покрытий.
Целью проведенных нами исследований являлась оценка влияния химических добавок, рекомендуемых для повышения строительно-технических характеристик штукатурок [1], на твердения цементнопесчаных растворов и на их водопоглощение.
В настоящей работе в качестве гидрофобизирующей добавки исследован дисперсионный порошок стеарата цинка. Эта добавка имеет более высокий гидрофобизирующий эффект в сравнении со стеаратом кальция и олеатом натрия [2].
В исследованиях были использованы также винил-версататные латексы Rhoximat PAV-29, Rhoximat
PAV-30, метилцеллюлоза марки МЦ-С, используемые в растворных смесях для водоудерживающей способности и усиления адгезии к различным подложкам. Благодаря высокому и равномерному водоудержанию
добавки метилцеллюлозы, цемент в течение длительного времени обеспечен водой в количестве, достаточном для полной гидратации.
Для приготовления цементно-песчаных растворов применялся портландцемент марки ПЦ-500 Д0 производства ПО «Вольскцемент» с удельной поверхностью Sуд=350 м 2/кг, активностью 51,0 МПа и кварцевый
речной песок Сурского месторождения с Мкр=1,54. Соотношение цемента и заполнителя (Ц:П) составляло
1:3 при В/Ц=0,72. Дозировка добавки составляла: стеарат цинка – 2%, МЦ-С – 0,2%, Rhoximat PAV-29 – 1%,
Rhoximat PAV-30 – 1% от массы цемента. Была исследована также комплексная добавка, включающая в
свой состав: стеарат цинка – 2 %; МЦ-С – 0,2 %; PAV-29 – 1%; PAV-30 – 1%.
Для проведения исследования были изготовлены образцы при водоцементном отношении равном 0,55
и 0,6 с размерами 20 х 20 х 20 мм и 160 х 40 х 40 мм из цементно-песчаного раствора. Образцы твердели в
естественно-влажных условиях, а затем подвергались испытанию на прочность при сжатии в различные
сроки твердения, а так же на водопоглощение [3] и на водопоглощение при капиллярном подсосе. [4].
Для определения водопоглощения при капиллярном подсосе нами была использована методика Европейского стандарта[4]. Коэффициент капиллярного водопоглощения в кг/(м 2 мин0,5) рассчитывался по формуле С = 0,1 (M2 – M1), где M1 и M2 – масса образца после насыщения водой при времени погружения 10 и
90 мин, соответственно.
Водонасыщение цементно-песчаных образцов проводилось после 28 суток твердения в естественновлажностных условиях и высушивания в сушильном шкафу при температуре 105 °С с последующим хранением в воде и определением массы образцов в течение 28 суток. Схема испытания на капиллярное водопоглощение приводится на рис. 1.
80 мм
2
5-10 мм
1
Рис 1. Схема испытания образца на капиллярное водопоглощение.
Обозначения: 1 – испытуемый образец; 2 – ванна с водой.
204
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Результаты определения прочности растворов с добавками в различные сроки представлены в таблице.
Таблица
Влияние добавок на кинетику твердения цементно-песчаного раствора
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Наименование добавки
Без добавки
Стеарат цинка
МЦ-С
PAV-29
PAV-30
Комплексная добавка
Прочность при сжатии в возрасте, МПа
3сут
7сут
14сут
28сут
2,66
4,83
8,75
12,33
3,75
6,66
10,25
11,50
1,25
3,50
5,25
9,75
3,00
7,50
10,29
11,83
1,66
5,62
9,00
11,08
–
2,50
3,83
4,33
Как следует из данных, приведенных в таблице, исследованные добавки по разному влияют на формирование ранней и нормативной прочности цементно-песчаного раствора. Наиболее сильное замедляющее
действие на твердение оказывают комплексная добавка и метилцеллюлоза. Добавка МЦ-С в различные сроки снижает прочность на 20-40 % по сравнению с контрольным составом. Более значительное снижение
прочности – на 50-65 % вызывает комплексная добавка на всех этапах твердения раствора. Это свидетельствует о блокирующем синергетическом эффекте компонентов комплексной добавки.
Значительно ускоряют набор прочности стеарат цинка и PAV-29, однако через 28 суток прочность всех
составов оказалась ниже прочности контрольного бездобавочного состава.
Водонасыщение цементно-песчаных образцов проводилось после 28 суток твердения в естественновлажностных условиях и высушивания в сушильном шкафу при температуре 105 °С с последующим хранением в воде и определением водопоглощения в течение 28 суток. Влияние добавок на кинетику водопоглощения цементно-песчаного раствора представлено на рис. 1
Исследование кинетики водопоглощения цементно-песчаных образцов с добавками показало, что
наибольшим гидрофобизирующим действием, как видно из данных на рис. 2, обладают стеарат цинка и
комплексная добавка. Однако после 1 суток насыщения гидрофобизирующее действие комплексной добавки
постепенно снижается, и через 28 суток водопоглощение раствора с этой добавкой, как видно на рис. 2, почти достигает величины водопоглощения контрольного состава.
Водопоглощение раствора с добавкой PAV-29 и PAV-30 в течение 1 суток значительно ниже контрольного состава, однако в более поздние сроки этот показатель достигает уровня контрольного состава.
Результаты определения капиллярного водопоглощения приводятся на рис. 3. Как видно из рис. 3.,
наибольшее снижение коэффициента водопоглощения отмечается в интервале дозировки от 0 до 0,5%. При
дальнейшем повышении дозировки снижение коэффициента замедляется. Схема испытания на капиллярное
водопоглощение приводится на рис. 1.
Рис. 2. Влияние добавок на кинетику водопоглощения
Рис. 3. Влияние дозировки стеарата цинка на коэффициент капиллярного водопоглощения (1 – раствор при В/Ц = 0,6;
2 – В/Ц = 0,55)
Проведенные исследования показали, что наиболее эффективной добавкой с точки зрения гидрофобизирующего эффекта и кинетики набора прочности раствора является стеарат цинка. Добавки Rhoximat
PAV-29 и Rhoximat PAV-30 менее эффективны в качестве гидрофобизаторов, кроме того гидрофобизирующий эффект сохраняется только в течение 1 суток. Однако продолжительность воздействия атмосферных
осадков на штукатурные покрытия редко превышает несколько десятков часов, поэтому продолжительного
гидрофобизирующего эффекта в большинстве случаев не требуется.
205
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Добавка метилцеллюлозы МЦ-С в количестве 0,2 % значительно снижает прочность цементнопесчаного раствора, кроме того, несколько повышает водопоглощение, в связи, с чем необходимо провести
дополнительные исследования эффективности этой добавки при более низкой дозировке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добавки для производства сухих строительных смесей. Проспект фирмы «Еврохим-1» .М.: Еврохим1, 39 с.
2. Калашников В. И., Исследование солей органических кислот в качестве гидрофобизаторов портланцементных растворов / В. И. Калашников, К. Н. Махамбетова, М. О. Коровкин и др. // Сборник научных
трудов Международной НТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика».: Пенза, 1819 мая 2004. -С. 111-114.
3. ГОСТ 12730.3-78 Бетоны. Методы определения водопоглощения.
4. EN 1015-15 Methods of test for mortar for masonry - Part 18: Determination of water absorption coefficient
due to capillary action of hardened mortar
206
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691. 217: 661.3
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
ВЛИЯНИЕ ВИДА И КОНЦЕНТРАЦИИ ЩЕЛОЧНОГО АКТИВИЗАТОРА
НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
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=140ºC со скоростью подъема
температуры 35ºC 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.
207
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Таблица 1
Влияние концентрации активизатора на прочность и водостойкость образцов
на основе песчаников Шемышейского и Архангельского месторождений
№ состава
Вяжущее
1
2
3
4
5
6
7
8
Количество активизатора
твердения,
% от массы вяжущего
Плотность в
сухом
состоянии,
кг/м3
8,0
7,0
6,0
3,0
8,0
7,0
6,0
3,0
Песчаник
Шемышейский
Sуд=600
м2/кг
Песчаник
Архангельский
Sуд=600
м2/кг
Прочность во
влажном состоянии,
МПа
Коэффициент
водостойкости
через 2 суток водонасыщения
1960
1945
1910
1870
Прочность
при сжатии,
МПа,
после ТО
при
tиз=140ºC
170,0
156,0
129,0
57,8
124,0
75,8
46,4
6,36
0,73
0,49
0,36
0,11
1930
1910
1900
1860
127,6
109,7
100,0
49,7
109,7
87,25
48,0
9,43
0,86
0,71
0,48
0,19
1 Песчаник
5,2
Архангель2 ский,
5,2
2
3 Sуд=600 м /кг 5,2
Количество
добавки
Al(OH)3, % от массы
вяжущего
Средняя плотность
в сухом состоянии, кг/м3
Ca(OH)2
NaOH
Na2CO3
№ состава
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 воздушновлажностных условиях при tиз=20-22ºC 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
Количество
активизатора
Средняя
прочность
твердения, %
при сжатии, МПа, в
Вид вяжу- от массы вявозрасте
щего и его жущего
В/
дисперсТ
ность
7
14
21
28
сут. сут. сут. сут
3
5,8 0,2 0
1860 5,1
3
3
5,8 0,2 5
5,8 0,2 10
1835 11,8 12,9 15,5 21,4
1780 15,3 16,3 25,7 32,2
208
6,7
8,2
10,2
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
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=200ºC со скоростью подъема температуры 45ºC 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
NaOH
Ca(OH)2
Cсодержание добавки
Al(OH)3, % от массы
вяжущего
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3
Прочность
при сжатии,
МПа, после
тепловой
обработки
при
tиз=200oC
1
0
6
0
0,16
0
1870
103,5
67,7
0,66
2
0
6
0
0,16
5
1850
77,5
65,1
0,84
3
0
6
0
0,16
7
1840
64,8
55,7
0,86
9,2
3
10,2
0,2
0
1840
49,0
13,9
0,28
9,2
3
10,2
0,2
5
1810
50,6
46,6
0,92
9,2
3
10,2
0,2
7
1800
51,2
48,1
0,94
9,2
0
10,2
0,2
0
1780
14,7
3,1
0,21
9,9
0
10,2
0,2
5
1760
26,5
24,1
0,91
9,2
0
10,2
0,2
7
1720
34,7
31,9
0,92
10
5,2
3
5,8
0,2
0
1780
16,5
3,7
0,22
11
5,2
3
5,8
0,2
5
1760
24,8
20,8
0,84
12
5,2
3
5,8
0,2
7
1740
35,1
30,2
0,86
4
5
6
7
8
9
Песчаник
Архангельский, Sуд=600 м2/кг
№
Вид вяжущего и его
дисперсность
Na2CO3
Влияние концентрации и вида щелочного активизатора на прочностные
свойства геосинтетических вяжущих
Количество активи- В/Т
затора твердения, %
от массы вяжущего
Прочность
при сжатии, МПа,
в водонасыщенном
состоянии
Коэффициент
водостойкости Кв через 2
суток водонасыщения
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.
209
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
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
210
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
УДК 691.44
Калашников В.И., д-р техн. наук, профессор; Хвастунов В.Л., канд. техн. наук, доцент,
Москвин Р.Н. канд. техн. наук, ассистент, Карташов А.А. канд. техн. наук, ст. преподаватель,
Голикова Л.Н. инженер, Войкина Т.А. инженер
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЗАМЕНЫ ЩЕЛОЧЕЙ СОЛЯМИ,
КАУСТИФИЦИРУЕМЫХ ИЗВЕСТЬЮ В ПРОЦЕССЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ
МИНЕРАЛЬНОШЛАКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
При создании шлакощелочных вяжущих, Глуховский В.Д. и его школа, в качестве активизаторов рассматривали использование трех щелочных активизаторов: жидкого стекла, крепких щелочей и соды. При
этом доза активизаторов была обычно не менее 8-10% [1]. Необходимо отметить, что весь практический
производственный опыт использования результатов исследований школы Глуховского В.Д. в области шлакощелочных вяжущих показал, что щелочи ограниченно использовались при создании строительных материалов и конструкций на основе шлакощелочных вяжущих вследствие следующих причин. Использование
больших дозировок щелочей неэкономично. Жесткие санитарно-гигиенические требования при приготовлении щелочных растворов и их дозировки ограничивали формование изделий по различным технологиям
(виброционным, вибропрессованным и прессованным).
Из выше сказанного следует, что производство бетонов с использованием NaOH и KOH должны быть
высоко автоматизировано.
В отличие от щелочей техническая кальцинированная сода относится к веществам третьего класса
опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.007, и хотя при работе с ней также требуется соблюдение правил безопасности, они не являются столь жесткими. К тому же сода не гигроскопична «не расплывается» как щелочь, не изменяет своего вещественного состава при хранении на воздухе по сравнению с NaOH, KOH и силикат-глыбой.
Главнейшее преимущество соды состоит в том, что она открывает возможности создания технологичных сухих смесей на основе шлаковых вяжущих.
Как было показано в работах, проведенных кафедрой ТБКиВ Пензенского ГУАС, снижение доли щелочи до 2-3% от массы смеси минеральношлаковых вяжущих не только приводит к высоким экономическим
показателям, но и к улучшению целого ряда технических и технологических характеристик минеральношлаковых вяжущих по сравнению с чистым шлаковым вяжущим с высоким содержание щелочей. Данные
исследования показали, что максимальные значения прочности приходятся на составы, в которых доля шлака составляет 60% от массы минеральношлакового вяжущего.
При дозировки щелочи в количестве 2% от массы смешанного вяжущего содержание ее в пересчете к
массе шлака составит 3,3%, а при 3%-ной дозировке – 5%. В том случае если в составе смешанного вяжущего присутствует минеральный компонент, не вступающий в реакцию со щелочью, то вся она принимает участие в реакционных процессах со шлаком. Это характерно для карбонатношлаковых вяжущих когда в качестве карбонатной составляющей используются чистые известняки с незначительным содержанием MgCO3.
В глиношлаковых вяжущих, не подвергнутых тепловой обработке, щелочь также не потребляется полностью глинистой составляющей вяжущего.
Установленная ранее возможность проявления содовых парадоксов I-го и II-го рода при твердении минеральношлаковых вяжущих и проведение экспериментальных исследований твердения карбонатношлаковых вяжущих при активизации их содой делает содовую активизацию перспективной [3].
Отрицательный опыт строительства двух многоэтажных домов в городе Липецке из шлакощелочных
бетонов с большими дозировками соды, превышающими 8-12%, требует анализа причин недостаточной
трещиностойкости таких бетонов и высокого высолообразования, связанных с неучетом стехиометрии реакций между Na2CO3 и гидролизной известью шлака. Если принять, что в основных шлаках отсутствует алит
C3S, который является основным поставщиком гидролизной извести Са(ОН)2, то последняя может быть выделена лишь при гидратации -C2S и некоторых других силикатов кальция. Выделение извести из геленита
2CaO∙Al2O3∙SiO2 возможно лишь при термовлажностной обработке. Волостанит, псевдоволастонит являются
сильно инертными силикатами кальция даже в условиях автоклавной обработки. Если ориентироваться на
-C2S, то доля его в основных шлаках по различным оценкам составляет 10-25% [2]. При полной гидратации
таких шлаков выделение гидролизной извести Са(ОН)2 из -C2S составит 1,8-4,5%. Из реакции каустификации такого количества извести с содой по стехиометрии
Са(ОН)2+Na2CO3 2Na(ОН)2+СаCO3
следует, что 1% извести свяжет 1,43% соды по массе, а 1,8-4,5%, соответственно, – 2,6-6,4%. Таким образом,
в шлакощелочных бетонах, применявшихся для строительства в г. Липецке, с содержанием соды 12%, остаточное количество соды было не менее 4-6%. Принимая во внимание то, что полная гидратация шлака не
достигается в течение 10-15 лет, то доля неиспользованной соды реально выше указанных значений. Высо -
211
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
кое высолообразование на поверхности панелей из таких бетонов свидетельствует о неправильном подборе
количества активизатора, т.е. соды. Таким образом, подбор таких бетонов должен вестись исходя из стехиометрии реакции каустификации, а лучше – с недостатком соды на 10-15% от стехиометрического, с тем,
чтобы гидролизная или специально добавляемая известь могла участвовать в гидросиликатном взаимодействии с кварцевым песком или активными кремнеземистыми наполнителями в течение длительного времени, упрочняя материал гидросиликатами кальция. Этот вопрос не исследовался ни В.Д. Глуховским, ни другими учеными, как и не исследовались водорастворимые щелочные соли натрия и калия, кроме соды и поташа.
В таблице представлены лишь 13 соединений, которые могут быть компонентами реакции каустификации. Наиболее доступные из них сода и поташ, однако некоторые могут быть побочными продуктами отдельных производств (Na2B4O7, NaF, Na2HPO4 и др). Наибольший выход щелочей (0,95 и 0,97 г/г) получается при каустификации фторида натрия и калия. В этом случае при реакции получается наименьшее количество образующейся примесной соли. Высокие выходы щелочей имеют сода и поташ.
Таблица
Каустифицируемые вещества и реакции каустификации их известью
Выход
КаустифициМолекуКол-во актиNaOH в г/г
руемые веще- Формула
лярная Реакционный процесс
визатора в г/г
активизаства
масса
Са(ОН)2
тора
Na
CO
106
Na
CO
+Ca(OH)
=CaCO
+2NaOH
1,43
0,75
2
3
2
3
2
3
Углекислый
натрий, калий K2CO3
138
K2CO3+ Ca(OH)2=CaCO3+2KOH 1,86
0,81
Тетрагидрок2Na[Al(OH)4]+Ca(OH)2=
со-алюминат Na[Al(OH)4] 118
3,20
0,34
=Ca[Al(OH)4]2+ 2NaOH
натрия
Тетраборат
Na2B4O7 202
Na2B4O7+Ca(OH)2=CaB4O7+2NaOH 2,73
0,40
натрия
NaF
42
2NaF+ Ca(OH)2=CaF2+2NaOH
1,05
0,95
Фториды
натрия, калия КF
58
2КF+ Ca(OH)2=CaF2+2КOH
1,57
0,97
2Na3PO4+ 3Ca(OH)2=
Na3PO4
164
1,48
0,73
=Ca3(PO4)2 + 6NaOH
Фосфаты
натрия, калия
2К3PO4+ 3Ca(OH)2=
К3PO4
212
1,91
0,79
=Ca3(PO4)2 + 6КOH
2NaH2PO4+Ca(OH)2=
NaH2PO4 120
3,24
0,33
=Ca(H2PO4)2+2NaOH
2КH2PO4+Ca(OH)2=
ГидроортоКH2PO4
136
3,68
0,41
Ca(H2PO4)2+2КOH
фосфаты
Na2HPO4+Ca(OH)2=CaHPO4+2NaO
натрия, калия Na HPO 142
1,92
0,56
2
4
H
К2HPO4
158
К2HPO4+Ca(OH)2=CaHPO4+2КOH 2,14
0,71
Натрий, калий KNaCO3·6Н
KNaCO3·6Н2О+Ca(OH)2=
230
3,11
0,46
углекислый 2О
=CaCO3+NaOH+KOH+6Н2О
Для определения сравнительной эффективности активизаторов использовали инертную по отношению
к щелочи породу – мрамор. Количество водорастворимых солей принималось исходя из получения одинакового количества NaOH, в пределах 1,5-1,6% от массы мраморношлакового вяжущего состава мрамор:шлак
2:3 по массе. Изготавливались образцы-кубы с ребром 3 см методом силового прессования при давлении 25
МПа и влажности сырьевой смеси 10,5%. Отформованные образцы твердели в нормально-влажностных
условиях и испытывались в заданные сроки (см. рисунок).
Как видно, на 28 сутки твердения наибольшую прочность показали образцы активизированные гидроортофосфатом натрия. Однако, в начальные сроки твердения наблюдается незначительный прирост прочности: на 3 и 7 сутки твердения 3,2 МПа и 12,4 МПа соответственно, что составляет 5% и 19% от 28-ми суточной прочности. Также низкую прочность в первые сутки твердения показали образцы с содой, что можно
объяснить отсутствием добавочной для каустификации Са(ОН)2 и медленным выделением гидролизной извести при гидратации шлака.
Как показал проведенный эксперимент наиболее предпочтительным активизатором твердения каустифицированных вяжущих является известково-содовый активизатор по следующим причинам: хорошая
динамика роста прочности в первые сроки твердения (на 3 и 7 сутки твердения 26,8 МПа и 37,6 МПа, соответственно, высокая 28-ми суточная прочность – 49,4МПа); широкой распространенности соды и извести по
сравнению с другими активизаторами.
212
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Прочность при сжатии, МПа
70
60
2
6
5
50
1
40
3
30
4
20
10
0
0
7
14
Время, сут
21
28
Рис. Кинетика твердения каустифицированных мраморношлаковых композитов
на различных активизаторах.
1–Na2CO3-2%+Cа(ОН)2-3%; 2–Na2HPO4 - 2,8%+Cа(ОН)2-3%; 3–NaF - 1,7% + Cа(ОН)2-3%;
4-Cа(ОН)2 - 5%; 5-Na2HPO4-1,4%+ Na2CO3 -1% + Cа(ОН)2-3%;
6-Na2CO3 -2%.
Применение смеси таких активизаторов как углекислый натрий и гидроортофосфат натрия позволило
сочетать их положительные стороны: ускоренный набор прочности в ранние сроки твердения одного и высокую прочность в 28-ми суточном возрасте другого.
Проведенный количественный химический анализ подтвердил быстрое протекание реакции каустификации между содой и известью в водном растворе. Установлены кинетика и сроки протекания реакционнохимического процесса. Время полного протекания реакции каустификации 1 молярного раствора соды при
20С составляет 30 мин, в течение которого образуется 94,9% СаСО3. Скорость реакционно-химического
процесса велика и составляет 0,0187 моль∙л/мин. При 50С за 30 мин образуется 99,9% СаСО3 и скорость
реакционно-химического процесса составляет 0,0188 моль∙л/мин; константа равновесия Кр=1,02·10 8. Разница между скоростями реакций при 20С и 50С незначительна, отношение скоростей равно 1,005.
При проектировании малосодовых и малошлаковых карбонатношлаковых вяжущих необходимо ориентироваться не только на гидролизную известь, которой может не хватать на реакцию каустификации, но и
на специально добавляемую гидратную известь, в соответствии со стехиометрией, для ускорения процессов
каустификации.
Если рассматривать перспективы получения малосодовых минеральношлаковых вяжущих в которых
карбонатная составляющая замещена тонкомолотыми породами имеющими в своем составе кварц и полиморфные модификации кремнезема (кристаболит, тридимит, халцедон, опал, и др.) или кварцевополевошпатовые осадочные породы, магматические породы содержащие стекла (базальт, трахит, трас, вулканический
туф, пемзы, пеплы) то доля извести должна быть увеличена в зависимости от пуццоланической активности
пород. Безусловно, что пуццоланической активностью обладают не только чистые разновидности полиморфных модификаций кварца, в которых содержание свободного SiO2 не ниже 60-70%. Но и горные породы, содержащие меньшое количество активного кремнезема.
Если рассматривать проблему получения малосодовых малошлаковых шлакогеополимерных вяжущих,
с дозировкой шлака 20-25%, то использование извести, исходя из выдвинутых теоретических представлений, неизбежно, т.к. доля выделяющейся гидролизной извести из соль малого количества шлака не превысит 1% в случае полной его гидратации. Получение же чистых геополимерных вяжущих (т.е. без использования шлаков и цементов), ативизированных содой, невозможно без использования извести, т.к. сода не растворяет, в отличие от щелочи, высокоактивные полиморфные модификации кварца при обычной температуре.
Необходимо отметить, что производство соды решает экологическую проблему утилизации углекислого газа СО2 не только от сжигания природных видов топлива, а также и от производства цемента и извести.
В последнем случае получение соды является более экономичным в связи с меньшим содержанием в отходящих газах SO3, NO2 и других газов.
213
ДЕСЯТЫЕ АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ РААСН, 2006 г.
Учитывая, что стоимость 1 т соды 6 тыс. руб., а стоимость 1 т технической щелочи составляет 14 тыс.
руб., то стоимость содового активизатора при одинаковой дозировке со щелочью на одну тонну вяжущего
снизится в 2,3 раза. При дополнительном использовании извести при ее стоимости 2000 р. за 1 т совместно с
содой в количестве 4% и то общие затраты на активизацию уменьшатся в 1,5 раза. Более экономичным будет каустифицированное вяжущее с использованием содощелочных плавов – отходов различных производств.
Важно отметить, что получение сухих строительных смесей на основе минеральношлаковых вяжущих
не возможно при использовании K и Na щелочей в силу их гигроскопичности, т.е. при введении в сухом виде щелочь будет отсасывать на себя влагу в результате чего будут образовываться локальные участки затвердевшего вяжущего. Таким образом, применение содо-известковой в минеральношлаковых вяжущих активизации позволит решить данную проблему, т.к. сода менее гигроскопична чем щелочь, и ее применение
позволит избежать данного нежелательного эффекта и решить проблему производства сухих отделочных и
кладочных безцементных безобжиговых смесей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глуховский В.Д. Синтез аналогов природных минералов с целью получения искусственного камня/
В. Д.Глуховский, Ж.В.Скурчинская // Докл. и тез. докл. третьей всесоюзной науч-практ. конф.: В 2-х т. - Киев, 1989. - Т. 1. -К С. 40-42.
2. Глуховский В.Д. Синтез щелочных алюмосиликатов на основе глин и гидроксида калия./
В.Д.Глуховский, Р.С.Жукова // Доклады и тезисы докладов третьей всесоюзной научно-практической конференции, в двух томах. – 1989. –т.1 — с.32-33.
3. Калашников В.И. Глиношлаковые строительные материалы /В.И. Калашников, В.Ю. Нестеров, В.Л.
Хвастунов и др.; Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Калашникова. - Пенза: ПГАСА, 2000. - 207 с.: ил.
214