Библиографическое описание:

Уразова А. А., Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Исследование свойств геополимерного вяжущего на основе гранита в зависимости от содержания шлака и активатора твердения // Молодой ученый. — 2015. — №12. — С. 334-338.

В работе приведены результаты исследования геополимерного вяжущего, приготовленного на основе измельченных гранита и шлака. Показано, что при исследованных дозировках щелочного активатора может быть получено вяжущее с прочностью 60–70 МПа при расходе шлака 10 %.

Ключевые слова: геополимерное вяжущее, гранит, шлак, активатор твердения, прочность, водопоглощение, водостойкость.

 

Полевошпатовые горные породы являются перспективным сырьем для производства геополимерных вяжущих [1, 2]. Как было показано в работах Дж. Давидовича и его последователей, после измельчения этих пород они способны образовывать геополимерные структуры при воздействии щелочных активаторов [1–3]. Это обусловлено, прежде всего, высоким содержанием в химической структуре полевошпатных минералов атомов калия и натрия.

Исследованиями [4, 5] установлено, что в качестве сырья для получения геополимерного вяжущего может использоваться горная порода, содержащая достаточное количество полевого шпата — гранит. В продолжение этих исследований в настоящей работе изучалось влияние концентрации щелочного активатора на реологические и прочностные свойства геополимерного вяжущего, а также на водостойкость и водопоглощение при длительном выдерживании образцов в воде.

Методы и материалы

Вяжущее было изготовлено на основе смеси гранита Павловского месторождения (Воронежская область) и доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината, измельченных до Sуд=350 м2/кг. Дозировка шлака составляла 25 % и 10 % от массы вяжущего [5]. В качества активатора твердения исследовались щелочные добавки А1 — гидроксид натрия и А2 — натриевое жидкое стекло, которые растворялись в воде затворения. Соотношение воды затворения с растворенными добавками и вяжущего во всех составах составляло 0,32.

Консистенция смеси, приготовленной из вяжущего, активатора и воды характеризовалась ее расплывом (РЦ, мм) на горизонтальной поверхности из цилиндрического вискозиметра высотой 20 мм и диаметром 16 мм.

Для определения прочности (Rсж), плотности (ρ), водостойкости по коэффициенту размягчения (Кр) и водопоглощения (W) были изготовлены образцы-кубики размером 20 мм. Смеси уплотнялись в формах на стандартной лабораторной виброплощадке. Все составы в течение первых трех суток твердели в формах, а затем подвергались тепловой обработке или хранились в нормально-влажностных условиях в течение 70 суток. Тепловлажностная обработка проводилась при температуре 60 и 80 °С.

Результаты и обсуждение результатов

Результаты определения свойств вяжущего представлены в таблице и на рис. 1–6.

Наибольшей подвижностью, что можно видеть на рис. 1 обладали смеси, содержащие 19 % шлака, 11,4 % жидкого стекла и от 3–4,5 % гидроксида натрия.

Из графиков на рис. 2 и рис.3 и данных в таблице можно сделать вывод, что прочность вяжущего возрастает с увеличением содержания жидкого стекла, шлака и с ростом температуры. Наибольшая прочность вяжущих, содержащих в составе 7,5 % шлака, даже после тепловой обработке при 80 °С не превышает 30 МПа.

Таблица

Состав и свойства вяжущих при 7,5 % содержании в смеси шлака

№ п/п

Состав смеси

РЦ, мм

Тепловая обработка при 60 ºС

Тепловая обработка при 80 ºС

натриевое стекло (А2), %

Вода, %

гидроксид натрия (А1), %

плотность, г/см3

прочность, МПа

плотность, г/см3

прочность, МПа

10

15,2

7,6

1,5

19,2

1,92

18,3

1,87

30

11

11,4

11,4

28,3

1,91

14,9

1,82

25,8

12

7,6

15,2

30,7

1,95

15

1,77

17

13

15,2

6,1

3

18

1,86

16,7

1,91

33

14

11,4

9,8

23

2,03

11,1

1,91

22,5

15

7,6

13,6

30,5

1,99

13,8

1,88

20,5

16

15,2

4,5

4,5

17

2,03

17,1

1,98

27,8

17

11,4

8,3

19

1,95

17

1,97

22,5

18

7,6

12,1

21

2,15

10,2

1,85

18

 

Рис. 1. Расплыв смеси при содержании в вяжущем 19 % шлака

 

Рис. 2. Прочность после ТВО при tиз=60ºС и содержании в вяжущем 19 % шлака

 

За счет увеличения доли шлака до 19 % после выдержки образцов при 60 °С их прочность после тепловлажностной обработки возрастает в 2,7–3,4 раза и составляет 30–47 МПа (рис.2). Наибольшей прочностью при минимальном содержании щелочного активатора обладали вяжущие, содержащие в своем составе 15,2 % жидкого стекла. При увеличении общего количества щелочного компонента прочность снижается на 16–39 %.

Увеличение температуры твердения до 80 °С (рис.3) способствовало росту прочности у вяжущих, содержащих 15,2 % жидкого стекла на 8,5–51 %, при 11,4 % активатора — на 10–43 % и при 7,6 % — на 17–58 %. При 80 °С максимальная прочность 71 МПа отмечена у вяжущего, содержащего 15,2 % жидкого стекла и 3 % щелочи. При 1,5 %-й дозировке щелочи и 7,6–11,4 % жидкого стекла прочность вяжущего составляет около 60 МПа.

На рис.4. представлены результаты испытания прочности образцов, твердевших в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях. Результаты показывают, что более высокий темп набора прочности характерен для вяжущих, содержащих небольшое количество щелочи. Оптимальной дозировкой щелочного компонента с позиции экономии дорогостоящего щелочного активатора обладает состав, содержащий 7,6 % жидкого стекла А2 и 1,5 % гидроксида натрия. Прочность такого вяжущего составляет 69 МПа.

От количества щелочного активатора, содержания шлака и температуры твердения зависит и плотность материала. Из таблицы и рис.5 видно, что чем меньше в вяжущем содержится шлака, щелочного компонента и чем выше температура его твердения, тем меньше плотность вяжущего.

Самой высокой плотностью — свыше 2000 кг/м3 обладает вяжущее, содержащее 19 % шлака при 15,2 %-ном содержании жидкого стекла и 1,5 % содержании активатора гидроксида натрия (рис.5). При наименьшем количестве активатора плотность вяжущего составляет около 1900 кг/м3.

Рис. 3. Прочность после тепловлажностной обработки при tиз=80оС и содержании в вяжущем 19 % шлака

 

Рис. 4. Прочность через 28 суток нормально-влажностного твердения и содержании в вяжущем 19 % шлака

 

Результаты определения длительной водостойкости и водопоглощения, приведенные на рис. 6 показывают, что вяжущее является гидравлическим и продолжает твердеть в воде. В зависимости от количества активатора коэффициент размягчения вяжущего Кр через 60 суток составляет от 1–1,74 при водопоглощении от 8,2–11,2 %.

Рис. 5. Средняя плотность вяжущего при 19 % содержании в смеси шлака

 

Рис. 6. Коэффициент размягчения (Кр) и водопоглощение (W) вяжущего при 19 % шлака

 

Выводы

Для получения геополимерного вяжущего на основе гранита прочностью 60 МПа после тепловой обработки и 70 МПа при твердении в нормально-влажностных условиях достаточно будет использовать в качестве активатора твердения 7,6 % жидкого стекла совместно с 1,5 % гидроксида натрия. Полученное вяжущее обладает хорошей удобоукладываемостью.

 

Литература:

 

1.      Davidovits, J. Geopolymer chemistry and applications. Saint-Quentin, France, Geopolymer Institute, 2011. — 632 p.

2.      Barbosa, V. F. F. Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers / V. F. F. Barbosa, K. J. D. MacKenzie, C. Thaumaturgo // International Journal of Inorganic Materials. — 2000. –Vol. 2, Iss. 4. — P. 309–317.

3.      Mackenzi, K. J. D. Geopolymer (aluminosilicate) composites: synthesis, properties and applications / K. J. D. Mackenzi, M. Welter // Advances in Ceramic Matrix Composites. –2014. — P. 445–470.

4.      Ерошкина, Н. А. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин // Цемент и его применение. — 2014. — № 4. — С. 107–113.

5.      Ерошкина, Н. А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. Пенза: ПГУАС, 2014. — 128 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle