Приводятся результаты исследования влияния комплексной добавки из смеси гидроксида кальция и сульфата алюминия на прочность и водостойкость вяжущего на основе активированных щелочью дисперсных горных пород — дацита и гранита. Установлено, что комплексная добавка снижает прочность и водостойкость вяжущих.
Ключевые слова: геополимер, дацит, гранит, водостойкость, кальция гидроксид, алюминия сульфат.
Введение
История развития геополимерных материалов связана с именами французского ученого J. Davidovits [1] и японских исследователей Iwahiro, Y. Nakamura, R. Komatsu, K. Ikeda [2], заложивших основы технологии геополимеров. В трактовке Джозефа Давидовича под геополимером следует понимать материал, обладающий повышенным содержанием SiO2 и Al2O3, например, микрокремнезем или метакаолин, активированный сильнощелочным раствором. Объяснение процессам, позволяющим достигнуть высокой прочности, можно найти в работе [3]. Murayama и другие [3] доказали, что ион OH- в щелочном растворе влияет на степень растворения Si4+ и Al3+, содержащихся в алюмосиликатных материалах.
Работы зарубежных ученых, занимающихся совершенствованием технологии геополимеров, направлены на замену этими материалами портландцемента, доминирующего в современном строительства вяжущего [1–3]. Разработка водостойких материалов на основе тонкоизмельченных горных пород сопряжена с определенными проблемами, одной из которых является трудно поддающееся управлению образование геля кремниевой кислоты, выделение которого является причиной снижения прочности при воздействии на затвердевшее вяжущее воды [4].
Для создания водостойких вяжущих необходимо подобрать композицию геополимерного вяжущего таким образом, чтобы гель кремниевой кислоты можно было связать в труднорастворимые соединения. Возможными путями решения этой проблемы может стать применение химических и минеральных добавок на основе алюмосиликатных соединений [4]. Ранее проведенные исследования показали, что в качестве сырья для получения геополимерных вяжущих наиболее подходят дисперсные магматические горные породы [5–10].
Целью данной работы является оценка возможности использования минеральных добавок в качестве модификаторов, способных повысить прочность, снизить водостойкость и водопоглощение вяжущих.
Методы и материалы
В настоящей работе в качестве минеральных добавок были исследованы гидратная известь и сульфат алюминия, которые вводились в смесь вяжущего в порошкообразном состоянии. Дозировка указанных добавок приведена в таблице 1.
Для исследования применялись два вида вяжущих — на основе дацита и гранита, полученные измельчением и активацией этих горных пород. Помол горных пород проводился в шаровой мельнице до удельной поверхности 600 м2/кг.
Приготовление формовочной смеси осуществлялось в фарфоровой ступе, в которой смесь перетиралась и затворялась щелочным раствором до влажности 14 %. Содержание NaOH составляло 5 % от массы горной породы.
Образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 2 см для определения прочностных характеристик изготавливались прессованием в пресс-формах при давлении прессования 25 МПа. Часть образцов твердела в естественно-влажностных условиях, а другая часть подвергалась двухстадийной тепловой обработке. На первой стадии тепловая обработка проводилась при температуре изотермической выдержки 80 °С, на второй — при сухом прогреве при температуре 200 или 250 °С.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Предел прочности при сжатии образцов определялся после каждой стадии тепловой обработки, а также после твердения в нормально-влажностных условиях. Образцы, твердевшие в естественных условиях, испытывались через 7, 28 и 60 суток. Наряду с оценкой показателя прочности при сжатии определялся коэффициент водостойкости, мерой которого служит коэффициент размягчения. Результаты испытания предела прочности при сжатии, а также водостойкости представлены в таблице и на рис.1.
Таблица
Влияние добавки и температуры на набор прочности вяжущих на основе горных пород
|
№ п/п |
Горная порода |
Содержание добавки, % от массы вяжущего |
Физико-механические характеристики после тепловой обработки при tизот |
Коэффициент размягчения после ТО при tизот=250°С |
|||||||
|
80°С |
200°С |
250°С |
|||||||||
|
Сa(OH)2 |
Al2(SO4)3 |
NaOH |
ρ, г/см3 |
Rсж, МПа |
ρ, г/см3 |
Rсж, МПа |
ρ, г/см3 |
Rсж, МПа |
|||
|
1 |
Гранит |
0 |
0 |
5 |
1,712 |
8,7 |
1,754 |
21,7 |
1,792 |
22,1 |
0,58 |
|
2 |
Дацит |
1,994 |
21,5 |
2,104 |
54,1 |
2,213 |
55,3 |
0,82 |
|||
|
3 |
Гранит |
3,5 |
5 |
3,5 |
1,681 |
6,1 |
1,741 |
14,8 |
1,763 |
15,9 |
0,49 |
|
4 |
Дацит |
1,915 |
15,5 |
2,004 |
38,9 |
2,054 |
43,6 |
0,77 |
|||
Как видно из данных, приведенных в таблице, режим теплой обработки значительно влияет на прочность синтезированных вяжущих. По мере увеличения температуры изотермии прочность существенно увеличивается. Особенно это наблюдается в диапазоне температур от 80 до 200°С. Максимальная прочность вяжущего, изготовленного на даците, составляет свыше 54 МПа. Эта прочность была получена на составе вяжущего, в котором не содержится комплексная добавка из смеси Сa(OH)2 и Al2(SO4)3, вызывающая снижение прочности вяжущего. Повышение температуры тепловой обработки с 200 до 250°С сопровождается незначительным приростом прочности. Наибольшее увеличение прочности от применения комплексной добавки было обнаружено у вяжущего на основе гранита.
Рис. 1. Кинетика набора прочности вяжущих при твердении в естественных условиях. Обозначения: 1 — гранит; 2 — дацит; 3 — гранит с комплексной добавкой; 4 — дацит с комплексной добавкой
Твердение образцов в естественных условиях также показало неэффективность применения добавки, так как прочность образцов из бездобавочных составов оказалась выше прочности образцов, модифицированных добавкой (рис.1).
При сопоставлении коэффициентов размягчения вяжущих с комплексной добавкой и без нее (таблица) видно, что негативным эффектом добавки стало снижению водостойкости материала.
Рис. 2. Влияние добавки на кинетику водопоглощения вяжущих на основе горных пород. Обозначения по рис. 1
Была также исследована кинетика водопоглощения всех составов, приведенных в таблице. Исследования проводились на образцах, подвергнутых тепловой обработке. Кинетические кривые водопоглощения (рис. 2), были построены по результатам испытания насыщаемых водой образцов в различные сроки. Эти зависимости свидетельствуют о значительном повышении водопоглощения в составах содержащих комплексную добавку, что также подтверждает ее негативное воздействие на водостойкость вяжущих на основе исследованных горных пород.
Выводы
На основании полученных результатов эксперимента можно сделать вывод о том, что модифицирование вяжущих комплексной добавкой на основе извести и сульфата алюминия при исследованной дозировке оказалось неэффективно. В связи с этим, для окончательных выводов о возможности применения комплексной добавки необходимо проведение исследований при других дозировках.
Литература:
1. Davidovits J. Mineral Polymers and Method of Making Them. US patent, 4349386, 14 September 1982.
2. Iwahiro T., Nakamura Y., Komatsu R., Ikeda K. Crystallization behavior and characteristics of mullites formed from alumina–silica gels prepared by the geopolymer technique in acidic conditions // Journal of the European Ceramic Society. 2001. N. 21. pp. 2513–2517.
3. Rowles M., O'Connor B. 2003. Chemical optimisation of the compressive strength of aluminosilicate geopolymers synthesised by sodium silicate activation of metakaolinite. Journal of Materials Chemistry. 2003. Vol. 13. Iss. 5. pp. 1161–1165.
4. Калашников В. И. Силицитовые геополимеры — первые шаги к созданию материалов будущего / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, Ю. С. Кузнецов, Ю. В. Гаврилова, Н. А. Ерошкина // Актуальные вопросы строительства: материалы МНТК. Саранск: МГУ, 2004. С. 160–165.
5. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Влияние параметров состава минерально-щелочного вяжущего на прочность и усадку бетона // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 27. С. 78–83.
6. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Влияние технологических параметров на свойства геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 3. С.47–51.
7. Ерошкина Н. А. Исследование композиционных геополимерных вяжущих на основе отходов горно-обогатительной промышленности / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин, А. М. Байматов // Региональная архитектура. 2014. № 4. С.10–14.
8. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Аксенов С. В. Малоэнергоемкие ресурсосберегающие технологии производства вяжущих для конструкционных бетонов // Современные проблемы науки и образования. -2013. -№ 6. С. 45.
9. 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.
10. Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Тымчук Е. И. Исследование дацита в качестве сырья для получения геополимеров // Молодой ученый. 2014. № 21 (80). С. 155–157.
