Эрдынеев Сергей Владимирович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, и.о. доцента кафедры производство строительных материалов и изделий

Цыдендамбаев Чингис Олегович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ст. преподаватель кафедры промышленное и гражданское строительство

Эрдынеев Содном Владимирович

аспирант, ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

Шлакосиликатные вяжущие на основе местных сырьевых материалов Забайкалья

Для обеспечения эффективного и качественного строительства, особенно в районах с суровыми климатическими условиями, необходимо развитое производство новых строительных материалов на основе местного минерального сырья и отходов промышленности. В этом плане перспективными являются технологии, построенные на основе использования эффузивных пород и, в частности, вулканических шлаков Забайкалья. Уникальность вулканических шлаков в этом плане заключается в том, что в отличие от всех других типов эффузивных пород они, благодаря своему активному химическому и фазовому составу, а также физической структуре, имеют возможность и целесообразность одновременного их использования в двух видах: в виде компонента вяжущих и пористого заполнителя. При этом не требуется специальной энергоемкой стадии подготовки так, как практически использование вулканических шлаков осуществляется в естественном состоянии. Проведение разработок в этом направлении и их реализация позволит создать эффективные теплоизоляционные, конструктивно-теплоизоляционные изделия, обладающие пониженной стоимостью из-за отсутствия дорогостоящего портландцемента, хорошими механическими и теплофизическими свойствами.

Физико-химическая активность шлакосиликатных вяжущих исследована в системе “вулканический шлак + силикат-глыба + щелочь”, получаемой методами полусухого и пластического формирования, при различных соотношениях компонента.

Как следует из результата исследований физико-химической активности шлакосиликатных вяжущих, наибольшее значение по прочности имеют все составы, твердевшие в условиях автоклавной обработки при давлениях выше 0,6 МПа. При этом разница в обоих случаях по значениям результатов испытания по прочности камня при 0,6 МПа и 0,8 МПа – давление автоклавной обработки незначительна – не более 2 ÷ 3%. Это свидетельствует о предпочтительности автоклавной обработки при 0,6 МПа по энергетическим соображениям. Повышение содержания щелочи (3%) в большинстве случаев приводит к несущественному росту прочности (до 1%) против составов с содержанием щелочи 1,5% с одновременным снижением водостойкости. Очевидно, это вызвано, с одной стороны, увеличением продуктов новообразований, а с другой – повышением количества несвязанной свободной щелочи. В целом характерным для обеих систем является более высокая прочность на сжатие образцов системы полусухого формирования различных серий – на 12 ÷ 48%. При этом следует отметить, что степень гидратации силикат-глыбы в системе полусухого формирования меньше, чем у образцов системы пластического формирования (0,54 против 0,75). Это вызвано, как показывают структурные исследования, более плотной установкой внутри камня меньшей пористостью и более обширными монолитными контактами оболочек новообразований вокруг исходных частиц вяжущих.

На последнее указывают оптические наблюдения, характеристики по средней плотности и пористости. Как следует из результатов оптических наблюдений структуры камня – она различна в системах классического и полусухого формирования. Как видно, структура искусственного камня полусухого формирования более плотная, где непрогидратированные остатки частиц у вулканического шлака и силикат-глыбы сближены в пространстве, окружены гелевидными слоями, соединяющими их. Тогда как аналогичные частицы в камне пластического формирования разъединены на большие расстояния друг от друга, имея при этом точечные контакты.

Общая пористость камня, полученного полусухим формированием шлакосиликатного вяжущего составляет 28,5%, а камня, полученного пластическим формированием – 32,8%. Эффективный радиус пор в первом случае – 20-25 Å , а во втором – 35-38 Å. Вышеприведенное свидетельствует о наличии в камне пластического формирования большего количества капиллярных пор, нежели гелевых. С точки зрения оценки механических свойств искусственного камня, его структуры и прогнозирования долговечности, устойчивости предпочтительнее полусухой метод формирования шлакосиликатных вяжущих и изделий на их основе.

Физико-химические исследования показывают, что фазовый состав затвердевшего искусственного камня представлен различными новообразованиями в зависимости от давления автоклавной обработки и содержания щелочного агента. Так, из рентгенограмм видно, что с ростом давления более окристаллизованы цеолитоподобные фазы R₂O · Al₂O₃ · nSiO₂ · m2H₂O типа гидрат-нефелита I (NAS₂H_n) (d= 2,95; 2,84; 2,54; 2,45 Å), натролита (NAS₂H_n) (d= 2,95; 2,84; 2,54; 2,45 Å). Остальная масса новообразований представлена кремнегелем, о чем свидетельствует оптические наблюдения.

Этапность формирования камня по наблюдениям методами физико-химического анализа и рН-метрии следующая:

I этап – растворение силикат-глыбы, о чем свидетельствует увеличение щелочности камня (рН-метрия);

I I этап – постепенное разложение вулканического шлака с выделением из его состава ионов и кремнекислоты.

I I I этап – взаимодействие этих ионных комплексов с ионами щелочных металлов и группами ОН^- с образованием цеолитоподобных групп R₂O · Al₂O₃ · nSiO₂ · m2H₂O, о чем свидетельствует появление структурных мотивов на данном рентгенофазового анализа и снижение рН-среды.

Как видно, щелочной агент, вводимый извне, выполняет двойную роль: первоначально деструктурирует силкат-глыбу, переводя его по поверхности частиц в жидкое состояние, параллельно с этим идет процесс растворения и взаимодействия с алюминокислотами составом вулканических шлаков.

Для увеличения прочности синтезируемого камня возможен ввод кристаллического кремнезема – кварца как затравки для кристаллизации кремнегеля. Для этого реализован комплекс экспериментов с использование чистого кварцевого песка и молотых кварцитов. Результаты экспериментов показывают, что при вводе в состав цементного камня (в среднем на 35%), наиболее интенсивный рост наблюдается до участка с содержанием 8-10% кристаллической затравки. В дальнейшем рост прочности не столь интенсивен.

Характерно, что при использовании молотого кварца, результаты выше на 15÷20%, чем на кварците. Это объясняется, очевидно, более совершенной кристаллической структурой в сравнении с кварцитом.

Физико-химический анализ камня показывает, что дополнительно к указанным фазам образуется кристаллический кремнезем, о чем свидетельствуют соответствующие дифракционные эффекты на рентгенограммах РФА.

По результатам экспериментов, изложенных выше, состав из сухих компонентов шлакосиликатного вяжущего в данной системе рекомендован следующий, в % масс.: вулканический шлак – 44,72; силикат-глыба – 44,72; щелочь (NaOH) – 1,46; кварцит – 9,1.

Библиография

1. Бабушкин В.И., Матвеев В.А., Мчедлов-Петросян О.П. Термодинамика силикатов.- М.: Стойиздат, 1965.-253 с.

2. Волженский А.В., Буров Ю.С., Виноградов В.Н. Гладких К.В. Бетоны и изделия из шлаковых и зольных материалов.- М.:Стоиздат, 1973.-409с.