Зависимость свойств геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород от состава сырья

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований зависимостей свойств геополимерных вяжущих на сырьевой базе магматических горных пород от состава сырья и условий твердения. Установлены зависимости прочностных характеристик вяжущих, твердевших в различных условиях, от минералогического состава сырья.

Ключевые слова: геополимерное вяжущее, минерально-щелочное вяжущее, магматическая горная порода, прочность, водостойкость.

Вяжущие щелочной активации на основе промышленных отходов — одно из наиболее перспективных направлений разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий строительных материалов. Основы этих технологий были заложены В. Д. Глуховским и его коллегами и в последствии получили развитие в работах зарубежных и отечественных исследователей.

Значительный прогресс в этом направлении был достигнут зарубежными учеными после разработки и развития концепции геополимерных вяжущих — материалов полимерной структуры на основе термически активированных каолинов и полевошпатовых горных пород, а также зол, шлаков и других промышленных отходов [1].

В нашей стране значительные успехи в создании энерго- и ресурсосберегающей технологий малощелочных вяжущих на основе осадочных горных пород и шлака были достигнуты В. И. Калашниковым и его сотрудниками [2]. В зависимости от содержания шлака эти материалы классифицируются на минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические [2].

Новой разновидностью вяжущих щелочной активации является минерально-щелочное вяжущее, основной компонент которого тонкоизмельченные магматические горные породы с добавкой 10…30 % доменного гранулированного шлака [3]. Твердение такого вяжущего активируется раствором метасиликата натрия или калия. Технологические свойства разработанного вяжущего позволяют изготавливать железобетонные конструкции с классом бетона по прочности при сжатии В40 [3].

Полимерный характер структуры щелочных метасиликатов служит основанием обоснованно предположить, что минерально-щелочные вяжущие можно отнести к геополимерным материалам. Зависимость свойств геополимеров от их состава и условий твердения, а так же механизм их структурообразования исследованы еще не полностью [1]. В настоящее время идет накопление эмпирических данных о влиянии различных факторов на структурообразование геополимерных и других вяжущих щелочной активации. Систематизация и анализ этих данных позволит разработать теорию твердения и научно-практически обоснованную технологию этих вяжущих.

Магматические горные породы, которые являются сырьем для получения минерально-щелочных вяжущих обладают сходным химическим составом, но образовались в различных условиях, поэтому характеризуются различным минералогическим составом и реакционной активностью по отношению к щелочным метасиликатам. Более быстрое охлаждение магмы при образовании излившихся пород, в сравнении с глубинными породами, обуславливает формирование менее термодинамически устойчивых мелко- и скрытокристаллических минералов, а также стеклофазы. Кроме того, излившиеся горные породы могут содержать большее число минералов, чем их глубинные аналоги. Все эти факторы позволяют предположить, что излившиеся породы должны характеризоваться более высокой реакционной способностью.

Для выявления влияния основных породообразующих минералов магматических пород на прочность минерально-щелочного вяжущего были исследованы вяжущие, приготовленные на основе некоторых широко распространенных представителей излившихся и глубинных горных пород.

В качестве активатора твердения использовался комплексный щелочной активатор на основе метасиликата натрия (натриевое жидкое стекло) и гидроксида натрия при соотношении компонентов 4,2:1, так как данное соотношение обеспечивает достижение наибольшей прочности при минимальной усадке [4].

Исследования проводились на составах вяжущего с различной дозировкой раствора активатора твердения, которая обеспечивала различную консистенцию смеси — пластичную и сверхжесткую. Пластичные смеси уплотнялись на стандартной лабораторной виброплощадке, а жесткие — прессованием при давлении 25 МПа. Соотношение компонентов вяжущего с пластичной консистенцией: измельченная горная порода — 87 %, активатор твердения — 13 %. Для приготовления смесей со сверхжесткой консистенцией расход компонентов составлял: измельченная горная порода — 94 %, активатор твердения — 6 %. Водовяжущее отношение в этих смесях составляло соответственно 0,22 и 0,09.

Для приготовления вяжущего использовались горные породы, измельченные до дисперсности 350±10 м²/кг: гранит Павловского и Хребетского месторождений, гранит плагиоклазовый, гранит с роговой обманкой, гранит биотитовый, гранит розовый, базальт, перидотит и габбро-диабаз.

Экспериментальные исследования показали, что прочность полученных вяжущих с пластичной консистенцией, твердевших в нормальных условиях (НУ) в течение 28 суток незначительна — от 0,2 до 0,7 МПа (табл.). Снижение расхода воды в жестких смесях обеспечивает повышение прочности до 6…18 МПа. Наибольшая прочность была получена у вяжущих, приготовленных с применением основных и ультраосновных пород — базальта и перидотита.

Полученные значения прочности при твердении исследованных вяжущих в нормальных условиях на порядок ниже, чем для большинства традиционных вяжущих при сопоставимых расходах воды.

Тепловая обработка (ТО) вяжущих при температуре изотермической выдержки 105 °С в течение 8 часов позволяет повысить прочность до 30…50 МПа (табл.). Прочности жестких и пластичных смесей, различаются приблизительно на 20 %, что позволит изготавливать в заводских условиях не только прессованные и вибропрессованные изделия, но и конструкции по традиционной для строительной индустрии технологиям.

Таблица

Свойства геополимерных (минерально-щелочных) вяжущих в зависимости от вида горной породы и способа формования

Исследование водостойкости вяжущих показало, что коэффициент их размягчения находится в широком интервале от 0,11 до 0,96. Низкие значения — менее 0,6 характеризует воздушный тип твердения вяжущего, которое обусловлено в основном обезвоживанием метасиликата натрия. Повышение водостойкости обеспечивается за счет вовлечения в реакции структурообразования некоторых минералов из горных пород. В результате этих реакций образуются водостойкие фазы. В пользу этого предположения свидетельствует корреляционная зависимость между прочностью вяжущего и его водостойкостью.

Основными породообразующими минералами в исследованных горных породах являются ортоклаз, кварц, плагиоклаз и пироксен. В связи с этим были проанализированы зависимости прочности исследованных вяжущих от содержания в них указанных минералов (см. рис.). Для анализа были использованы усредненные результаты определения прочности вяжущих, полученных прессованием и твердеющих при тепловой обработке, так как именно эти результаты наиболее полно отражают реакционную активность минералов входящих в состав горных пород.

Согласно графикам, приведенным на рисунке, прочность геополимерного вяжущего в значительной степени зависит от вида и содержания минералов. Увеличение содержания в породах кварца, плагиоклаза повышает прочность вяжущих, ортоклаза — снижает их прочность. Изменение содержания в породах пироксена в интервале 20…40 % практически не отражается на прочностных характеристиках вяжущего.

Рис. Прочность вяжущих в зависимости от содержания основных породообразующих минералов

Выводы

Установлено, что излившиеся и глубинные магматические горные породы дисперсностью около 350 м²/кг после активации комплексным активатором на основе метасиликата натрия и гидроксида натрия могут использоваться для получения безобжиговых вяжущих. При твердении в нормальных условиях вяжущие имеют низкую прочность, достигающую за счет тепловой обработки 30…50 МПа. Выявлено влияние основных породообразующих минералов — ортоклаза, кварца, плагиоклаза и пироксена на прочность вяжущих. Сопоставление состава горных пород с прочностными характеристиками исследованных вяжущих показывает, что с уменьшением кислотности пород возрастает активность вяжущих.

Литература:

1.         Davidovits, J. Geopolymers: Inorganic polymeric new materials / J. Davidovits // Journal of Materials Education. 1994. Vol. 16 (2, 3). Р. 91–138.

2.         Калашников, В. И. К вопросу классификации шлаковых и минерально-шлаковых вяжущих / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, В. Л. Хвастунов // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: материалы: VIII Академ. чтения РААСН. — Самара: СГАСУ, 2004. — С. 201–205.

3.         Ерошкина, Н. А. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавкой шлака, и бетон на его основе / Н. А. Ерошкина, В. И. Калашников, М. О. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. С. 62–65.

4.         Ерошкина Н. А., Коровкин М. О. Ресурсосберегающие технологии геополимерных вяжущих и бетонов на основе отходов добычи и переработки магматических горных пород: монография. — Пенза: Изд-во ПГУАС, 2013. 152 с.