В работе приведены результаты исследования геополимерного вяжущего, приготовленного на основе измельченных гранита и шлака. Показано, что при исследованных дозировках щелочного активатора может быть получено вяжущее с прочностью 60–70 МПа при расходе шлака 10 %.
Ключевые слова: геополимерное вяжущее, гранит, шлак, активатор твердения, прочность, водопоглощение, водостойкость.
Полевошпатовые горные породы являются перспективным сырьем для производства геополимерных вяжущих [1, 2]. Как было показано в работах Дж. Давидовича и его последователей, после измельчения этих пород они способны образовывать геополимерные структуры при воздействии щелочных активаторов [1–3]. Это обусловлено, прежде всего, высоким содержанием в химической структуре полевошпатных минералов атомов калия и натрия.
Исследованиями [4, 5] установлено, что в качестве сырья для получения геополимерного вяжущего может использоваться горная порода, содержащая достаточное количество полевого шпата — гранит. В продолжение этих исследований в настоящей работе изучалось влияние концентрации щелочного активатора на реологические и прочностные свойства геополимерного вяжущего, а также на водостойкость и водопоглощение при длительном выдерживании образцов в воде.
Методы и материалы
Вяжущее было изготовлено на основе смеси гранита Павловского месторождения (Воронежская область) и доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината, измельченных до Sуд=350 м2/кг. Дозировка шлака составляла 25 % и 10 % от массы вяжущего [5]. В качества активатора твердения исследовались щелочные добавки А1 — гидроксид натрия и А2 — натриевое жидкое стекло, которые растворялись в воде затворения. Соотношение воды затворения с растворенными добавками и вяжущего во всех составах составляло 0,32.
Консистенция смеси, приготовленной из вяжущего, активатора и воды характеризовалась ее расплывом (РЦ, мм) на горизонтальной поверхности из цилиндрического вискозиметра высотой 20 мм и диаметром 16 мм.
Для определения прочности (Rсж), плотности (ρ), водостойкости по коэффициенту размягчения (Кр) и водопоглощения (W) были изготовлены образцы-кубики размером 20 мм. Смеси уплотнялись в формах на стандартной лабораторной виброплощадке. Все составы в течение первых трех суток твердели в формах, а затем подвергались тепловой обработке или хранились в нормально-влажностных условиях в течение 70 суток. Тепловлажностная обработка проводилась при температуре 60 и 80 °С.
Результаты и обсуждение результатов
Результаты определения свойств вяжущего представлены в таблице и на рис. 1–6.
Наибольшей подвижностью, что можно видеть на рис. 1 обладали смеси, содержащие 19 % шлака, 11,4 % жидкого стекла и от 3–4,5 % гидроксида натрия.
Из графиков на рис. 2 и рис.3 и данных в таблице можно сделать вывод, что прочность вяжущего возрастает с увеличением содержания жидкого стекла, шлака и с ростом температуры. Наибольшая прочность вяжущих, содержащих в составе 7,5 % шлака, даже после тепловой обработке при 80 °С не превышает 30 МПа.
Таблица
Состав и свойства вяжущих при 7,5 % содержании в смеси шлака
|
№ п/п |
Состав смеси |
РЦ, мм |
Тепловая обработка при 60 ºС |
Тепловая обработка при 80 ºС |
||||
|
натриевое стекло (А2), % |
Вода, % |
гидроксид натрия (А1), % |
плотность, г/см3 |
прочность, МПа |
плотность, г/см3 |
прочность, МПа |
||
|
10 |
15,2 |
7,6 |
1,5 |
19,2 |
1,92 |
18,3 |
1,87 |
30 |
|
11 |
11,4 |
11,4 |
28,3 |
1,91 |
14,9 |
1,82 |
25,8 |
|
|
12 |
7,6 |
15,2 |
30,7 |
1,95 |
15 |
1,77 |
17 |
|
|
13 |
15,2 |
6,1 |
3 |
18 |
1,86 |
16,7 |
1,91 |
33 |
|
14 |
11,4 |
9,8 |
23 |
2,03 |
11,1 |
1,91 |
22,5 |
|
|
15 |
7,6 |
13,6 |
30,5 |
1,99 |
13,8 |
1,88 |
20,5 |
|
|
16 |
15,2 |
4,5 |
4,5 |
17 |
2,03 |
17,1 |
1,98 |
27,8 |
|
17 |
11,4 |
8,3 |
19 |
1,95 |
17 |
1,97 |
22,5 |
|
|
18 |
7,6 |
12,1 |
21 |
2,15 |
10,2 |
1,85 |
18 |
|
Рис. 1. Расплыв смеси при содержании в вяжущем 19 % шлака
Рис. 2. Прочность после ТВО при tиз=60ºС и содержании в вяжущем 19 % шлака
За счет увеличения доли шлака до 19 % после выдержки образцов при 60 °С их прочность после тепловлажностной обработки возрастает в 2,7–3,4 раза и составляет 30–47 МПа (рис.2). Наибольшей прочностью при минимальном содержании щелочного активатора обладали вяжущие, содержащие в своем составе 15,2 % жидкого стекла. При увеличении общего количества щелочного компонента прочность снижается на 16–39 %.
Увеличение температуры твердения до 80 °С (рис.3) способствовало росту прочности у вяжущих, содержащих 15,2 % жидкого стекла на 8,5–51 %, при 11,4 % активатора — на 10–43 % и при 7,6 % — на 17–58 %. При 80 °С максимальная прочность 71 МПа отмечена у вяжущего, содержащего 15,2 % жидкого стекла и 3 % щелочи. При 1,5 %-й дозировке щелочи и 7,6–11,4 % жидкого стекла прочность вяжущего составляет около 60 МПа.
На рис.4. представлены результаты испытания прочности образцов, твердевших в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях. Результаты показывают, что более высокий темп набора прочности характерен для вяжущих, содержащих небольшое количество щелочи. Оптимальной дозировкой щелочного компонента с позиции экономии дорогостоящего щелочного активатора обладает состав, содержащий 7,6 % жидкого стекла А2 и 1,5 % гидроксида натрия. Прочность такого вяжущего составляет 69 МПа.
От количества щелочного активатора, содержания шлака и температуры твердения зависит и плотность материала. Из таблицы и рис.5 видно, что чем меньше в вяжущем содержится шлака, щелочного компонента и чем выше температура его твердения, тем меньше плотность вяжущего.
Самой высокой плотностью — свыше 2000 кг/м3 обладает вяжущее, содержащее 19 % шлака при 15,2 %-ном содержании жидкого стекла и 1,5 % содержании активатора гидроксида натрия (рис.5). При наименьшем количестве активатора плотность вяжущего составляет около 1900 кг/м3.
Рис. 3. Прочность после тепловлажностной обработки при tиз=80оС и содержании в вяжущем 19 % шлака
Рис. 4. Прочность через 28 суток нормально-влажностного твердения и содержании в вяжущем 19 % шлака
Результаты определения длительной водостойкости и водопоглощения, приведенные на рис. 6 показывают, что вяжущее является гидравлическим и продолжает твердеть в воде. В зависимости от количества активатора коэффициент размягчения вяжущего Кр через 60 суток составляет от 1–1,74 при водопоглощении от 8,2–11,2 %.
Рис. 5. Средняя плотность вяжущего при 19 % содержании в смеси шлака
Рис. 6. Коэффициент размягчения (Кр) и водопоглощение (W) вяжущего при 19 % шлака
Выводы
Для получения геополимерного вяжущего на основе гранита прочностью 60 МПа после тепловой обработки и 70 МПа при твердении в нормально-влажностных условиях достаточно будет использовать в качестве активатора твердения 7,6 % жидкого стекла совместно с 1,5 % гидроксида натрия. Полученное вяжущее обладает хорошей удобоукладываемостью.
Литература:
1. Davidovits, J. Geopolymer chemistry and applications. Saint-Quentin, France, Geopolymer Institute, 2011. — 632 p.
2. Barbosa, V. F. F. Synthesis and characterisation of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers / V. F. F. Barbosa, K. J. D. MacKenzie, C. Thaumaturgo // International Journal of Inorganic Materials. — 2000. –Vol. 2, Iss. 4. — P. 309–317.
3. Mackenzi, K. J. D. Geopolymer (aluminosilicate) composites: synthesis, properties and applications / K. J. D. Mackenzi, M. Welter // Advances in Ceramic Matrix Composites. –2014. — P. 445–470.
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. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. Пенза: ПГУАС, 2014. — 128 с.
