Изучено влияние параметров состава безобжигового геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород с добавкой шлака. Установлено, что увеличение дозировки шлака с 6 до 30 % значительно повышает прочность вяжущего и темпы ее набора. Показано, что тонкость помола горной породы оказывает влияние на прочность вяжущего в поздние сроки твердения, что характеризует горную породу как активный компонент вяжущего.
Ключевые слова: геополимер, гранит, базальт, доменный шлак, структурообразование, прочность.
Геополимеры относятся к числу наиболее активно развивающихся направлений разработки новых видов строительных материалов. Несмотря на значительное число публикаций, посвященных проблеме структурообразования геополимерных материалов, многие аспекты их твердения остаются неясными.
В настоящее время разработано несколько разновидностей этих материалов, но наиболее перспективными считаются активированные щелочами или силикатами натрия золы ТЭС и другие виды природных и техногенных алюмосиликатных материалов [1, 2]. Считается, что твердение этих материалов обусловлено растворением в гиперщелочных растворах алюмо- или кремнекислородных мономерных групп минералов горных пород и технических продуктов, которые затем образуют трехмерные полимерные структуры, обеспечивающие достаточно высокие деформативно-прочностные характеристики и долговечность материала [1].
Для модифицирования геополимеров могут использоваться различные материалы [1, 2], наиболее распространенным из которых является доменный гранулированный шлак. Введение этого компонента в состав вяжущего придает ему гидравлические свойства и повышает прочность. Увеличение расхода шлака с 6 до 30 % в вяжущих на основе гранита и базальта, измельченных до удельной поверхности 350 м2/кг, повышает прочность вяжущего в несколько раз (см. таблицу). При дальнейшем увеличении расхода шлака прочность практически не изменяется. Кроме того, повышение дозировки шлака обеспечивает более высокий рост прочности составов, твердеющих в воде, чем составов, твердевших в воздушно-влажностных условиях.
Влияние расхода шлака на прочность вяжущего на основе гранита и базальта
|
Горная порода |
Условия твердения |
Прочность вяжущего, МПа, при содержании в нем шлака, % |
|||||
|
6 |
12 |
18 |
24 |
30 |
36 |
||
|
Гранит |
воздушно-влажные |
10,5 |
28,3 |
38,0 |
56,4 |
69,9 |
70,9 |
|
Базальт |
10,8 |
24,2 |
34,1 |
48,4 |
57,1 |
57,4 |
|
|
Гранит |
в воде |
7,3 |
31,7 |
45,9 |
69,0 |
84,4 |
84,0 |
|
Базальт |
10,1 |
29,4 |
43,8 |
64,3 |
80,2 |
76,9 |
|
Анализ данных в таблице позволяет сделать вывод о том, что шлак вносит значительно более высокий вклад в структурообразование геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород. Однако увеличение дозировки шлака обеспечивает не только более высокую прочность, но и ведет к росту усадки вяжущего, что может негативно отразиться на прочности и долговечности строительных материалов на основе такого вяжущего.
Многократное повышение прочности вяжущего при увеличении расхода шлака с 6 до 30 % позволяет предположить, что этот материал является активным компонентом вяжущего, а измельченная горная порода служит инертным наполнителем, снижающим усадочные деформации. Однако исследование влияния удельной поверхности шлака и горной породы на прочность не подтверждают эту гипотезу. Повышение тонкости помола горных пород оказывает влияние на прочность в более поздние сроки твердения (рис. 1), что характеризует их как менее активный, чем шлак, но не инертный компонент вяжущего.
Фазовый состав продуктов взаимодействия доменного шлака и щелочных активаторов не достаточно изучен. Отмечается, что в состав могут входить гидросиликаты кальция и ксонолит, гидротальцит, а также минералы цеолитовой группы [3, 4]. В работе [5] установлено, что при активации шлака метасиликатом натрия продукты реакции не содержат цеолитовых минералов. Проведенные нами исследования ИК-спектров поглощения показали, что после твердения в течение 28 суток вяжущее на основе 25 % шлака и 75 % гранита содержит цеолитовые минералы (рис. 2). Это подтверждает, что исследованное вяжущее можно отнести к геополимерным, для которых характерно образование минералов этой группы.
|
а) |
|
б) |
|
|
в) |
|
г) |
|
Рис. 1. Зависимость прочности вяжущего в возрасте 3 (а, б) и 28 сут (в, г) от удельной поверхности базальта (а, в) и гранита (б, г) при различной удельной поверхности шлака: 1–200 м2/кг; 2–300 м2/кг; 3–400 м2/кг
Рис. 2. Спектры поглощения в инфракрасном диапазоне вяжущего на основе гранита (75 %) и шлака (25 %), активированных метасиликатом натрия (отмечены линии, характерные для цеолитов)
Выводы
На ранних стадиях твердения вяжущих на основе горных пород с добавкой шлака прочность обеспечивается в основном за счет твердения шлака, а роль горной породы сводится к снижению усадочных деформаций вяжущего. Из-за низкой химической активности минералов магматических горных пород при их взаимодействии с щелочным активатором влияние этого фактора проявляется на поздних стадиях структурообразования. Влияние удельной поверхности измельченного гранита и базальта на прочность характеризует их как активный компонент вяжущего.
Литература:
1. Davidovits, J. Geopolymer Chemistry and Applications / J. Davidovits. Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2011. 632 p.
2. Ерошкина, Н. А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. Пенза: ПГУАС, 2014. 128 с.
3. Глуховский, В. Д. Вяжущие композиционные материалы контактного твердения / В. Д. Глуховский, Р. Ф. Рунова, С. Е. Максумов. Киев: Вища школа, 1991. 243 с.
4. Caijun, Shi. Hydration of alkali-slag cements at 150°C / Shi Caijun, Wu. Xuequan, Tang. Mingshu // Cement and Concrete Research. 1999. Vol. 21, Issue 1. P. 91–100.
5. Wang, Shao-Dong. Hydration products of alkali activated slag cement / Shao-Dong Wang, K. L. Scrivener // Cement and Concrete Research. 1995. Vol. 25, Issue 3. P. 561–571.
