Приведены результаты исследования прочности и усадки геополимерного вяжущего на основе измельченного отсева дробления габбро-диабаза при длительном твердении. Показано, что исследованное вяжущее после твердения во влажных условиях способно набирать прочность в сухих условиях при длительном твердении.
Ключевые слова: минерально-щелочное вяжущее, геополимерное вяжущее, магматическая горная порода, доменный шлак.
В последнее время в России и за рубежом выполнено большое число исследований по разработке новых разновидностей и совершенствованию шлакощелочных, геополимерных и других вяжущих, получаемых при щелочной активации шлаков и алюмосиликатных пород [1, 2]. В Пензенском ГУАС получены геополимерные вяжущие на основе отходов добычи и переработки алюмосиликатных магматических горных пород и шлаков [3–5]. Эти вяжущие обладают высокой прочностью, водостойкостью и низким водопоглощением при длительном выдерживании образцов в воде [2, 4]. Изменение свойств геополимерных вяжущих при эксплуатации в воздушно-сухих условиях является малоизученной проблемой. В данной работе были проведены исследования по оценке влияния воздушно-сухих условий на изменение прочности и усадочные деформации геополимерного вяжущего.
Методы и материалы
Исследования проводились в 2 этапа. На первом этапе были изучены свойства образцов после твердения в нормально-влажностных условиях. На втором этапе образцы находились в воздушно-сухих условиях лаборатории с температурой 17–25 оС и влажностью 60–80 % в течение 11 месяцев.
Вяжущие изготавливались из шлака и отсева дробления габбро-диабаза, измельченных до дисперсности 380 и 500 м2/кг, соответственно. Для активизации процесса твердения использовались щелочные активаторы: товарное жидкое стекло на натриевой основе (Щ1) и NaOH (Щ2). Содержание указанных компонентов в составе вяжущего назначалось в соответствии с планом четырехфакторного рототабельного эксперимента. В качестве факторов были исследованы: х1 — содержание шлака по отношению к габбро-диабазу (Ш/Г), х2 — отношение активатора Щ1 к твердому компоненту вяжущего (Щ1/Т), х3 — отношение жидкой составляющей к твердому (Ж/Т) и х4 — содержание щелочи Щ2. Основные уровни и интервалы варьирования для факторов были назначены следующие: x1 = 3±1; x2 = 21±5; x3 = 3±0,3; x4 = 3±1.
Исследование прочностных свойств проводилось на образцах с размерами 20´20´20 мм, а измерение усадочных деформаций — на образцах с размерами 20´20´100 мм, изготовленных из растворных смесей при соотношении вяжущего к растворной части 1:1.
Результаты и их обсуждение
После статистической обработки влияния исследованных факторов на прочность вяжущего в возрасте 28 суток было составлено уравнение R28= 44,74–7,125·x1+ 5,1583·x2+ 1,9833·x3 + 3,6·x4–1,3125·x1·x2–1,8875·x1·x4–3,0875·x2·x3 + 4,0875·x3·x4–2,3728·x32–3,1478·x42. Из уравнения видно, что прочность возрастает с увеличением содержания в смеси шлака, активатора Щ1 и Щ2, и с уменьшением содержания Ж/Т. Однако, последний из указанных факторов в меньшей степени влияет на повышение прочности. Графическая интерпретация уравнения приведена на рис. 1.
Рис. 1. Прочность через 28 суток, МПа
Рис. 2. Прочность при твердении в воздушно-сухих условиях, МПа
Прочность вяжущего при последующем твердении в сухих условиях лаборатории описывается зависимостью R = 56,112–8,1·x1+10,508·x2 + 8,7·x3 + 1,8667·x4 + 1,9125·x2·x3 –1,1375·x2·x4. В соответствии с уравнением наибольшее влияние на прочность оказывает содержание щелочного активатора Щ1 и примерно одинаковое влияние — содержание шлака и жидкой составляющей, а содержание щелочи Щ2 оказывает на прочность незначительное влияние. Наглядно характер формирования прочности вследствие адсорбции влаги из окружающей среды лаборатории показан на рис. 2. Прирост прочности по отношению к прочности, достигнутой на 28 сутки, в составах с наименьшим количеством шлака (Ш/Г=3,6–4) и Щ1 (Щ1/Т≤16 %) достигает 100 %, а в составах с наибольшим количеством шлака и жидкого стекла составляет 60 %.
Деформации усадки вяжущего в возрасте 28 суток при твердении в нормально-влажностных условиях описываются уравнением ξ = 0,5292 + 0,54375·x1–1,962·x2–0,419·x3–0,4319·x1·x2 + 0,2494·x1·x3 + 0,2444 x2·x3–0,4669·x2·x4 –0,3931·x3·x4–0,4197·x22 –0,386·x32–0,3072·x42. Анализ уравнения показывает, что на развитие усадки наибольшее влияние оказывают содержание активатора жидкого стекла и отношение жидкости к твердому веществу. На рис. 3 показан график зависимости усадки от Щ1/Т и Ж/Т. С уменьшением отношений Щ1/Т и Ж/Т усадка возрастает с 0,3 до 0,7 мм/м.
Рис. 3. Усадка геополимерного вяжущего через 28 суток твердения, мм/м
При дальнейшем твердении образцов вяжущего в воздушно-сухих условиях усадочные деформации возрастают и достигают на 60 сутки значений 0,8–1,1 мм/м (рис. 4).
Рис. 4. Усадка через 60 суток твердения в воздушно-сухих условиях лаборатории, мм/м
Развитие усадочных деформаций геополимерного вяжущего продолжается в течение года. К этому времени в зависимости от соотношений Щ1/Т и Ж/Т образцы вяжущих имеют усадку в интервале от 0,7 до 1,3 мм/м (рис. 5).
Рис. 5. Усадка через 360 суток твердения в воздушно-сухих условиях, мм/м
Заключение
В ходе эксперимента было показано, что геополимерное вяжущее на основе габбро-диабаза с добавкой шлака способно набирать прочность не только в нормально-влажностных условиях, но и в воздушно-сухих условиях при длительном твердении. Эта особенность вяжущего может служить своего рода гарантией его долговечности.
Литература:
1. Davidovits, J. High-Alkali Cements for 21st Century Concretes / J. Davidovits // Concrete Technology, Past, Present and Future: proceedings of Symposium. 1994. Р. 383–397.
2. Davidovits, J. Geopolymer chemistry and applications. 3rd eddition. — France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. — 614 p.
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. 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. Исследование вяжущих, полученных при щелочной активизации магматических горных пород / Н. А. Ерошкина // Строительство и реконструкция. 2011. № 1. С. 61–65.
