Известковые сухие строительные смеси с применением смешанослойных глин Поволжского региона

Мировой опыт применения сухих строительных смесей (ССС) показал их высокую эффективность и преимущества по сравнению с традиционными методами проведения отделочных работ. Однако, использование в рецептуре данных смесей дорогостоящих импортных модифицирующих добавок значительно удорожает их стоимость.

На территории Поволжского региона имеются значительные запасы смешанослойных глин, а также цветных и кварцевых песков, которые могут служить сырьем при разработке компонентов ССС на основе извести [1, 2, 3].

Цветные пески представлены Нижне-Аблязовским месторождением, кварцевые пески — Ухтинским месторождением. Пески Нижне-Аблязовского месторождения предлагается использовать в качестве декоративного наполнителя для ССС [4]. Пески представляют собой мелкозернистую смесь песка и глины, имеющую красно-коричневый цвет. Содержание пигмента в песке составляет 97 кг/м³. В кварцевых песках Ухтинского месторождения основными породообразующими минералами являются кварц (до 95 %) и глауконит (до 7 %). Средний модуль крупности песка составляет 1,5.

Покрытия на основе известковых составов отличаются низкими показателями прочности и водостойкости, для повышения которых предлагается введение в их рецептуру активных минеральных добавок на основе смешанослойных глин. Предлагается использовать глины Воробьевского и Белинского месторождений. Химический состав глины Воробъевского месторождения свидетельствует о перспективности разработки минеральной добавки, сочетающей в себе также свойства пигмента.

Анализ литературных данных свидетельствует, что при обжиге глины в интервале температур 450–650^оС образуется одноводный каолинит, который обладает более высокой реакционной активностью к извести, чем метакаолинит [5]. На рис.1 приведены результаты дифференциально-термического анализа глины Воробьевского месторождения [6, 7].

Рис.1. Дифференциально-термический анализ глины Воробьевского месторождения

При анализе полученной термограммы установлено, что в воробьевской глине присутствует 6,1 % связанной воды, которая постепенно удаляется до температуры 1000 ^оС с образованием новых минералов. При обжиге глины при температуре 400 ^оС удаляется 2,2 % воды, при 500 ^оС — 3,4 %, при 550 ^оС — 3,7 %, при 600 ^оС — 4,0 %. Установлено (рис. 1.), что половина связанной воды в количестве 2,9 % в воробьевской глине удаляется при температуре 450 ^оС, при которой образуется одноводный каолинит, придающий минеральной добавке наибольшую активность к извести (табл. 1.).

При разработке рецептуры ССС применялась известь-пушонка 1-го сорта с активностью 64–67 %, в качестве мелкого заполнителя — кварцевый песок Ухтинского месторождения с соотношением фракций 0,63–0,315 мм и 0,315–0,14 мм соответственно 80 %: 20 %. Плотность песка при этом составляет =1527 кг/м³. Водоизвестковое соотношение составляло В/И = 1,4, соотношение известь:песок (И:П) — И:П=1:4 Предварительные исследования показали, что наибольшее значение предела прочности при сжатии известковых композитов достигается при введении минеральной добавки, составляющей 10 % от массы извести. Результаты исследований приведены в табл.1.

Таблица 1

Влияние температуры обжига на значение предела прочности при сжатии R_сж, МПа

По данным табл. 1 видно, что введение в состав обожженной глины способствует повышению прочности при сжатии известкового композита в возрасте 28 суток воздушно-сухого твердения, составляющему в зависимости температуры обжига и вида глины в 1,5–2,6 раза. При введении воробьевской глины, обожженной при температуре 450^оС, прочность повышается до 1,67 МПа. Введение белинской глины после обжига при температуре 500^оС способствуют повышению прочности композита до 2,2 МПа, т. е. на 26 % выше, чем прочность композитов с минеральной добавкой, полученной обжигом при температуре 600^оС.

Для объяснения механизма упрочнения известковых композитов с добавкой глины, обожженной при низких температурах, оценивались кислотно-основные свойства глин до обжига и после него.

Для исследования активных центров поверхности глин использовали индикаторный метод определения распределения центров адсорбции (РЦА). Исследования производились в области бренстедовских кислотных (рКа от 0 до 7) и основных (рКа от 7 до 13) центров, а также льюисовских кислотных (рКа >13) центров.

На рис. 2 представлены кривые распределения центров адсорбции на поверхности глин Воробьевского и Белинского месторождений в естественном состоянии и после термической обработки при температуре 450⁰С и 500⁰С соответственно, построенные в координатах:

q_рКа=F(рКа),

где q_рКа — содержание активных центров, эквивалентное количеству адсорбированного индикатора определенной кислотной силы — рКа.

Сравнение распределения адсорбционных центров на поверхности исследуемых порошков, имеющих одинаковый химический, минералогический и гранулометрический составы, свидетельствует о том, что термическая обработка глин привела к изменению энергетического состояния поверхности материала. Число бренстедовских и льюисовских кислотных центров на поверхности термически обработанных глин превышает число таких же центров на поверхности необожженных глин.

а)

б)

Рис. 2. Распределение кислотно-основных центров на поверхности минеральной добавки из глины: а) Воробьевского месторождения: 1 — необожженная глина; 2- глина, подвергнутая термической обработке при температуре 450⁰С; б) Белинского месторождения: 3 — необожженная глина; 4- глина, подвергнутая термической обработке при температуре 500⁰С.

Из экспериментальных данных (рис. 2, а) следует, что в области кислотных бренстедовских центров (рКа от 0 до 7) количество активных центров на поверхности обожженной глины составило 71,17 ммоль/г, в то время как на поверхности необожженной глины — 39,54 ммоль/г. В области основных бренстедовских центров (рКа от 7 до 13) количество активных центров на поверхности обожженной глины составило 8,19 ммоль/г, а на поверхности необожженной глины — 1,41 ммоль/г. Наблюдается увеличение количества активных центров при рКа>13 на поверхности обожженной глины, составляющее 55,36 ммоль/г, в то время как на поверхности необожженной глины — 24,6 ммоль/г.

Аналогичная закономерность наблюдается при обжиге белинской глины (рис.2,б). Несмотря на то, что в области кислотных бренстедовских центров количество активных центров на поверхности обожженной глины составило лишь 104,21 ммоль/г, в то время как на поверхности необожженной глины — 136,78 ммоль/г, суммарное количество общих активных центров глины после термической обработки все же превышает тот же показатель у глины без обработки (табл. 2). Дегидратация поверхности слоистых алюмосиликатов приводит к образованию большого числа центров Льюиса, которые обладают наибольшей реакционной способностью.

Таблица 2

Влияние температуры обжига на суммарное количество активных центров

Результаты исследований (табл. 2) свидетельствуют о том, что наибольшим суммарным количеством активных центров характеризуются глины Воробьевского и Белинского месторождений после обжига при температурах соответственно 450^оС и 500^оС. При этих же температурах наблюдается и увеличение прочности при сжатии известковых композитов.

Минеральную добавку на основе глины Воробьевского месторождения рекомендуется применять совместно с заполнителем на основе ухтинского кварцевого песка, так как помимо повышения прочности при сжатии данная добавка также придает составу бежевый цвет, что позволяет его использовать в качестве декоративной штукатурки.

Минеральную добавку, получаемую обработкой глины Белинского месторождения, целесообразнее использовать совместно с цветным песком Нижне-Аблязовского карьера. Данная добавка не придает смеси никакого цвета, но по сравнению с воробьевской глиной, дает большую прочность при сжатии.

По результатам исследований разработаны составы сухих смесей, содержащих известь-пушонку, ухтинский (нижне-аблязовский) кварцевый песок, минеральную добавку на основе Воробьевской (Белинской) глины, органоминеральную добавку на основе глины Камешкирского месторождения, суперпластификатор С-3, редиспергируемый порошок Mowilith Pulver DM 1142 P. В табл. 3 приведены свойства покрытий на основе предлагаемой ССС.

Таблица 3

Технологические и эксплуатационные свойства отделочных составов

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о перспективности применения смешанослойных глин Поволжского региона в качестве сырья для производства активных минеральных добавок.

Литература:

1.    Садыков, Р. К. Минерально-производственный комплекс Пензенской области / Р. К. Садыков, П. П. Сенаторов, Р. З. Рахимов. — Казань: Изд-во Казанск. ун-та. Казань, 2002. — 128

2.    Логанина, В. И. Разработка органоминеральной добавки для сухих строительных смесей / В. И. Логанина, Н. А. Петухова, Э. Р. Акжигитова // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2011. — № 3. — С. 8–12.

3.    Логанина, В. И. Декоративные сухие строительные смеси на основе цветных песков / В. И. Логанина, Э. Р. Акжигитова // Известия вузов. Строительство. — 2012. — № 6. — С. 27–30.

4.    Логанина, В. И. Сухие строительные смеси с применением местных материалов Пензенского региона / В. И. Логанина, Г. Д. Фадеева, Э. Р. Акжигитова // Инженерно-строительный журнал. — 2012. — № 8. — С. 37–41.

5.    Шумков, А. И. Бесклинкерное известково-алюмосиликатное гидравлическое вяжущее естественного твердения / А. И. Шумков // Сухие строительные смеси. — 2011. — № 3. — С. 20–21.

6.    Бабушкин, В. И.Термодинамика силикатов / В. И. Бабушкин, М. Г. Матвеев, О. П. Мчедлов-Петросян. — М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. — 352 с.

7.    Danielle S Klimesch, Abhi Ray. DTA–TGA of unstirred autoclaved metakaolin–lime–quartz slurries. The formation of hydrogarnet // Thermochimica Acta. — 1998. — Volume 316, Issue 2. — P. 149–154.