На основе экспериментальных данных выполнена оценка влияния некоторых видов магматических горных пород, их дисперсности и температуры твердения на прочность и водостойкость геополимерного вяжущего. Разработанные вяжущие имеют высокие физико-механические свойства и могут использоваться для производства бетонов общестроительного назначения.
Ключевые слова: геополимерные вяжущие, технология, отходы горнодобывающей промышленности.
Вяжущие щелочной активации — одна из наиболее перспективных технологических платформ развития энерго- и ресурсосберегающего производства строительных материалов, изделий и конструкций. Основополагающие исследования в этом направлении были выполнены В. Д. Глуховским и его сотрудниками [1]. Анализ и обобщение многочисленных работ различных авторов и собственные исследования вяжущих щелочной активации позволили французскому ученом Дж. Давидовицу разработать концепцию геополимерных вяжущих [2, 3] — неорганических материалов полимерной структуры на основе термически обработанных алюмосиликатных материалов — каолинов и полевошпатовых горных пород, а также зол, шлаков и других промышленных отходов, которые проявляют вяжущие свойства при щелочной активации.
Для производства геополимерного вяжущего можно использовать золу-унос, шлаки, золу сжигания рисовой шелухи и другие отходы производства [3]. Основное преимущество геополимерного вяжущего в сравнении с портландцементом — значительное снижение (в несколько раз) энергетических затрат и выбросов в атмосферу парниковых газов, которые снижаются [4].
Одна из разновидностей геополимерных материалов — вяжущие на основе магматических горных пород [5]. Основной компонент таких вяжущих — тонкоизмельченные магматические горные породы алюмосиликатного состава, твердение которых активируется растворами гидроксида или силиката натрия либо калия. Эти вяжущие способны твердеть и набирать прочность как при тепловлажностной обработке, так и в нормальных условиях [6, 7].
При добыче и переработке магматических горных пород, например дроблении щебня, обогащении руд, образуются значительные объемы дисперсных минеральных отходов. В состав магматических горных пород входят различные по физическим и химическим свойствам минералы: кварц, полевой шпат, фельдшпатоиды, пироксены, слюды, амфиболы и оливин. Некоторые из этих минералов растворяются в гиперщелочной среде и образуют полимерные полисиликатные структуры. Эти материалы могут использоваться в качестве строительных вяжущих.
Многие аспекты твердения геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород исследованы далеко не полностью. Сложность изучения механизма структурообразования геополимерных материалов заключается в отсутствии методик идентификации процессов, протекающих при твердении этих вяжущих. Кроме того, в научно-технической литературе крайне мало данных о влиянии различных факторов на свойства геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород и отсутствуют общепринятые теоретические представления о механизме структурообразования геополимерных вяжущих.
Дж. Давидовиц [3] считает, что механизм химических реакций, проходящих при структурообразовании геополимеров, можно описать взаимодействием алюмосиликатного сырья с NaOH или КОН в несколько стадий. Конечный этап — конденсация между орто-силикатными и гидроксоалюминиевыми группами OH–Al.
В работе [8] высказывается мнение о том, что Na и K не входят в структуру геополимеров, а их роль заключается в создании условий, в которых возможно замещение Si на Al в структуре полимера в процессе его синтеза. Отмечается, что при недостаточном содержании щелочи реакция геополимеризации протекает не полностью. После окончания структурообразования геополимера щелочь может мигрировать на поверхность материала и подвергаться карбонизации под воздействием углекислого газа в атмосфере, что приводит к образованию высолов на поверхности. Снизить риск этого явления позволяет использование в рецептуре геополимерного вяжущего материалов, связывающих щелочь, — шлаков и горных пород, которые должны содержать алюминатные и алюмосиликатные минералы с высокой реакционной способностью по отношению к щелочам [9].
В настоящей работе проведены исследования влиянии параметров состава геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород и условий твердения на свойства вяжущего. В качестве основного компонента вяжущего (не менее 75 % массы сухих компонентов) использовались отсевы дробления щебня следующих горных пород: габбро-диабаз, базальт, перидотит, дацит и граниты различных месторождений. Горные породы измельчались до удельной поверхности 200…650 м2/кг по прибору ПСХ-2. В качестве модифицирующих добавок вяжущего были исследованы: гидроокись алюминия, доменный гранулированный шлак, каолин и метакаолин.
В качестве активатора твердения использовали водные растворы гидроксида натрия и низкомодульного силиката натрия.
В зависимости от консистенции вяжущей смеси изготавливались образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 25 мм за счет прессования под давлением 25 МПа или образцы-кубики с длиной ребра 20 мм при уплотнении на стандартной лабораторной виброплощадке.
Исследованные вяжущие твердели в нормальных условиях и при тепловой обработке, которой они подвергались после предварительной выдержки в течение 6 ч. Скорость подъема температуры при тепловой обработке составляла 20 °С в час.
После затворения горных пород, измельченных до удельной поверхности 350 м2/кг, 12,5 М раствором NaOH при массовом отношении жидкости затворения к твердому компоненту, равном 0,13, получали жесткую смесь, которую формовали прессованием. Вяжущие, полученные при щелочной активации раствором NaOH, твердеют только при тепловой обработке при температуре не ниже 80 °С и набирают прочность 45…83 МПа. Снижение температуры твердения до 60 °С приводит к уменьшению прочности вяжущих в 2…4 раза.
Использование раствора низкомодульного силиката натрия не позволяет получить вяжущее, твердеющее в нормальных условиях при стандартной консистенции вяжущего теста. Вяжущие, приготовленные из исследованных горных пород, после тепловлажностной обработки продолжительностью 10 ч при температуре не ниже 60 ºС набирают прочность 22…38 МПа. При повышении температуры с 60 до 105 ºС прочность возрастает для всех составов на 30…70 %. Причем наибольший прирост отмечается при повышении температуры до 105 ºС, то есть в условиях сухого прогрева, что характеризует эти вяжущие как воздушные.
Исследованные вяжущие из измельченных магматических пород, активированные гидроксидами или силикатами щелочных металлов, имеют существенный недостаток — они способны твердеть только при низких водовяжущих отношениях, позволяющих получить жесткие консистенции вяжущего теста, которое может быть отформовано только при вибропрессовании и прессовании. Эти вяжущие имеют низкую водостойкость, которая характеризуется коэффициентом размягчения Кр не более 0,52, который рассчитывался как отношение прочности образцов, насыщавшихся водой в течение 60 сут, к прочности сухих образцов после их твердения в нормальных условиях в течение 28 сут.
Исследования различных добавок, используемых для повышения водостойкости вяжущего, — гидроксида алюминия, каолина, метакаолина, доменного шлака, показали, что все эти материалы повышают водостойкость вяжущих, но ни одна добавка, кроме шлака, не позволяет получить вяжущее с коэффициентом размягчения, близким к 1 (рис. 1).
Рис. 1. Коэффициент размягчения геополимерного камня на основе различных горных пород без добавки и с добавкой шлака, активированных низкомодульным жидким стеклом, после насыщения образцов водой в течение 60 сут: 1 — гранит Павловский; 2 — гранит Хребетский; 3 — перидотит; 4 — базальт; 5 — гранит розовый; 6 — гранит с роговой обманкой; 7 — гранит биотитовый; 8 — гранит плагиоклазовый; 9 — габбро-диабаз; 10 — дацит
Введение с состав вяжущего добавки 25 % шлака от массы сухих компонентов значительно повышает активность вяжущего. Эта добавка обеспечивает твердение в нормальных условиях (рис. 2а) и повышает прочность вяжущего при тепловой обработке в сравнении с бездобавочными составами приблизительно в 2 раза (рис. 2б). Почти во всех составах прочность уменьшается при повышении температуры твердения с 80 до 105 ºС. В составах без добавки шлака при таком изменении температуры тепловой обработки, напротив, отмечается значительное повышение прочности. Это свидетельствует о гидравлическом характере геополимерного вяжущего с добавкой шлака.
|
а) |
|
|
б) |
|
Рис. 2. Прочность вяжущих, полученных из горных пород с добавкой 25 % шлака, после твердения в нормальных условиях (а) и тепловой обработки (б) при активировании твердения жидким стеклом (обозначение пород по рис. 1)
Рис. 3. Зависимость прочности вяжущих от удельной поверхности магматических горных пород (обозначение пород по рис. 1)
Результаты, приведенные на рис. 3, показали, что удельная поверхность горных пород оказывает значительное влияние на прочность вяжущего. Однако это влияние для различных горных пород разное, что объясняется различной реакционной способностью минералов, входящих в их состав.
Выводы:
Проведенные исследования показали, что прочностные показатели полученных геополимерных вяжущих на основе различных магматических горных пород с добавкой доменного гранулированного шлака составляют от 20 до 80 МПа, что достаточно для производства бетонов общестроительного назначения, твердеющих как в нормальных условиях, так и при тепловой обработке. Прочность вяжущих зависит от вида горной породы, ее дисперсности и условий твердения. Влияние шлака на свойства вяжущего характеризует его как ключевой компонент геополимерного вяжущего, обеспечивающего его высокую водостойкость.
Литература:
1. Производство бетонов и конструкций на основе шлакощелочных вяжущих / В. Д. Глуховский, П. В. Кривенко, Г. В. Румына, В. Л. Герасимчук; под общ. ред. В. Д. Глуховского. — Киев: Будівельник, 1988. 144 с.
2. Davidovits J. Geopolymers: Inorganic polymeric new materials // Journal of Materials Education. 1994. Vol. 16 (2, 3). Р. 91–138.
3. Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. Saint Quen-tin, France: Geopolymer Institute, 2008. 585 p.
4. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Ильина Т. А. Оценка энерго- и ресурсосберегающей эффективности технологии геополимерных вяжу-щих на основе магматических горных пород // Низькоенергоємні в'яжучі, бетони i розчини: матеріали VIII науково-технічного семінару. (октябрь 2013). — Рівне: Нацiональный унiверситет господарства та природокористування, 2013. Випуск 26. — С. 144–150.
5. Ерошкина Н. А. Калашников В. И., Коровкин М. О. Минерально-щелочные вяжущие. Монография. М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования «Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва». Пенза, 2012.
6. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Соломатин А. П. Исследование свойств минерально-щелочных вяжущих на основе магматических горных пород // Наука и инновации в строительстве: материалы Международного конгресса. Том 1. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. Воронеж: ВГАСУ, 2008. С. 158–162.
7. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе // Цемент и его применение. -2014.- № 4. — С. 107–113.
8. Barbosa V. F.F., MacKenzie K. J.D., Thaumaturgo C. Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers // International Journal of Inorganic Ma-terials. 2000. Vol. 2, Iss. 4. P. 309–317.
9. Kani E., Allahverdi A., Provis J. Efflorescence control in geopolymer binders based on natural pozzolan // Cement and Concrete Composites. 2011. Vol. 34. P. 25–33.
