УДК 691.33

ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Мороз Марина Николаевна1, Калашников Владимир Иванович2, Суздальцев Олег Владимирович3
1ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", кандидат технических наук
2ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор
3ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", аспирант

Аннотация
В статье сформулированы основные принципы получения долговечных, эффективных минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих.

Ключевые слова: геосинтетические материалы, долговечность, минерально-шлаковые вяжущие, Шлаки, щелочь


GEOSYNTHETIC CONSTRUCTION MATERIALS

Мoroz Marina Nikolaevna1, Kalashnikov Vladimir Ivanovich2, Suzdaltzev Oleg Vladimirovich3
1Penza State University of architecture and construction, Сandidate of technical Sciences
2Penza State University of architecture and construction, Honored Scientist of the Russian Federation, doctor of technical Sciences, professor
3Penza State University of architecture and construction, post graduate student

Abstract
The article defines the basic principles of producing durable, effective mineral-slag, and geosynthetic geo-slag binders.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Мороз М.Н., Калашников В.И., Суздальцев О.В. Геосинтетические строительные материалы // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 8. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/36742 (дата обращения: 30.09.2017).

Наибольший интерес для будущего строительства и строительного материаловедения будут представлять вяжущие, в частности, минеральношлаковые, состоящие из 40-60% шлака и 60-40% измельченных горных пород, геошлаковые, содержащие 10-20% шлака и 80-90% горных пород и геосинтетические (геополимерные) вяжущие из горных пород с активизаторами твердения и модифицирующими добавками. Первые из них отверждаются малыми добавками щелочей NaOH, KOH (2-3%) или смесью соды и известью (по 2-3%), последние, геосинтетические – более высокими дозировками этих активизаторов. Комбинация соды, получаемой малоотходным способом из углекислого газа или других щелочных водорастворимых солей и извести, должна иметь статус комплексного щелочного активизатора геошлаковых (ГШ), геосинтетических (ГС) композитов, в связи с возможностью прямого процесса регенерации гидроксидов щелочных металлов в теле композитов.

Учитывая, что цементирующая матрица вулканических горных пород, которых в земной коре содержится 64,7% по оценкам Бери Л., Мейсона Б. и Дитриха Р. [1], содержит альбит, алибито-анортит и анортит, преимущество следует отдать катиону натрия. Химический состав горной массы в отвалах примерно соответствует верхней мантии Земной коры и представлен преимущественно SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3, P2O5, CO2 и др. В вещественном составе преобладают минеральные образования полиморфных модификаций кремнезема SiO2, кварца, кварцитов, песчаников, гравелитов, полевошпатовых пород, сульфатов, карбонатов, фосфатов, фторидов, пироксенов, аморфиболов, слоистых силикатов и др. Часто эти горные породы по своему качеству превосходят то нерудное сырье, которое добывают предприятия промышленности строительных материалов.

Замкнутый процесс образования щелочи в теле композита является экологически безопасным и может быть положен в основу новых материалов и улучшения экологии. Других вариантов масштабного безобжигового, малоэнергоемкого использования отходов горных пород пока наука не предложила и вряд ли сможет предложить в ближайшем будущем, если исходить из современных представлений о происхождении прочных горных пород без продолжительного времени (многих миллионов лет) кристаллизации в нормальных условиях без воздействия высоких температур и давлений.

Предпосылкой к получению геошлаковых (ГШ) и геосинтетических (ГС) вяжущих послужили работы, проводимые кафедрой «Технологии строительных материалов и деревообработки» (ТСМиД) ФГБОУ ВПО Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, в области создания минеральношлаковых вяжущих и строительных материалов на их основе, начатые в 1993 г. За этот период был разработан целый ряд минеральношлаковых вяжущих: глиношлаковых, карбонатношлаковых (кальцито и доломитошлаковых), гравелитошлаковых, дацитошлаковых и силицитошлаковых вяжущих [2-6]. При этом показано, что значительное количество горных пород вулканического и осадочного происхождения – базальт, диабаз, диорит, гранит, дацит, глауконитовый песчаник и др. – способные отвердевать в смеси со шлаком и 2-3% щелочи или извести и соды в прессованном состоянии с формированием в нормальных условиях достаточной прочности (60-80 МПа). Преимущество таких материалов состоит в том, что они являются малощелочными, в отличие от шлакощелочных вяжущих и бетонов, разработанных Глуховским В.Д. и его школой [7]. Нами показательно [5], что высокопрочные материалы с прочностью 150-200 МПа могут быть получены при паротепловой обработке при t=80-90°C с обязательным последующим сухим прогревом при t=150-330°C. В этом случаи использованы специфические коллигативные свойства щелочи NaOH, высокомолярный раствор, который способен кипеть при t > 150°C. Такая особенность NaOH позволяет получить при сушке высокомолярный водный раствор (80 моль/л и более) в микропленках, кипящий при температуре 150-200°C и растворяющий в микропленках и микрокапельках многие горные породы, хотя дозировка щелочи не превышает 2-3%.

Разработанные нами низкощелочные (2-3% щелочи), смешанные глиношлаковые, карбонатношлаковые и опочношлаковые вяжущие существенно расширяют сырьевую базу для их производства и позволяют сократить расходы шлака в 1,5-2,0 раза и щелочных активизаторов NaOH, KOH, Na2CO3 в 2-3 раза по сравнению со шлакощелочными вяжущими. При этом прочностные показатели этих вяжущих и прессованных материалов на их основе практически не ухудшились по сравнению с чисто шлаковыми дозировками NaOH, Na2CO3. При этом глиношлаковые вяжущие являются высокотрещиностойкими, обладают “безопасной” усадкой, выдерживают без образования трещин 25-30 циклов попеременного увлажнения и высушивания при t= 105°С с повышением прочности и модуля упругости [2]. Шлакощелочной цементный камень разрушаются через 2-5 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Доказано, что структурная топология таких смесей наиболее оптимальна и “прорастание” и цементация частиц целого ряда природных глин, молотых горных пород и кальциевых известняков продуктами гидратации шлака и взаимодействия их с растворенными веществами породы обеспечивают физико-технические показатели.

К чистым геополимерам можно отнести каолинощелочные вяжущие. По данным В.Д. Глуховского, глинистые минералы при сильно щелочной активации, когда содержание щелочи составляет 20-27%, от их массы, композиция затвердевает. В этом случае образуются цеолитоподобные гидроалюмосиликатные новообразования с общей формулой Na2(K2)O·Al2O3·(2-4)SiO2·nH2O типа анальцима, натролита, гидронефелина, мусковита и др. Естественно, что такое содержание щелочей делает технологию каолинощелочных вяжущих крайне неэкономичной и опасной из-за работы с высоко концентрированными растворами едкой щелочи. В наших опытах каолин с 5% NaOH при пропаривании в течение 5 часов при температуре 70 °C приобретал прочность и водостойкость, в то время как при нормально-влажностных условиях не образовывал твердеющей структуры в течение 10 лет.

Сведения о низкощелочной активации горных пород (2-3% щелочи) для получения высокопрочного вяжущего в литературе отсутствуют. Нами выявлен целый ряд горных пород осадочного происхождения которые отверждаются в нормально-влажностных условиях при 15-20%-ном содержании шлака. Доказано, что шлак выступает в таких системах, не столько как цементирующее вещество, а как сильный инициатор конденсации матричных частиц горной породы. Инициирующая способность шлака в щелочной среде существенно выше, чем клинкерного цемента.

Исследованные молотые горные породы - кремнеземистые и глауконитовые песчаники, чистые кварцевые пески, халцедоны, опалы, гравелиты, не твердеющие в нормальных условиях со щелочами NaOH и КOH, отвердевали в нормальных условиях при соотношении по массе «шлак :порода» 1:4 (2% NaOH) до прочности при сжатии 25-50 МПа. При прогреве при температуре 200-250°С прочность возрастала до 90-160 МПа. Таким образом, в свете полученных новых данных, шлаки следует рассматривать как ценнейший компонент при создании геополимеров. На чрезвычайно простых опытах доказан диффузионно-сквозьрастворный механизм цементации частиц горной породы растворенными продуктами шлака при нормальных условиях твердения. Выявлен механизм дополнительного отвердевания систем в процессе сухого прогрева при температуре 100-330 °C и микроповерхностного синтеза цементирующих веществ в контактах частиц горных пород.

При сухом прогреве силицитощелочных композиций, спрессованных при давлении 25 МПа, основным цементирующим веществом является кремнекислота, обеспечивающая прочность при сжатии 150-200 МПа. Изделиями на основе таких песчанико-щелочных вяжущих с жаростойкими зернистыми наполнителями могут использоваться для футеровки песчаных агрегатов.

Модификация силицито-щелочных вяжущих гидроксидом алюминия и малыми добавками шлака повышает длительную водостойкость и расширяет сферы применения силицитовых материалов в строительстве.

На настоящем этапе основной технологией формования высокопрочных геосинтетических вяжущих и материалов на их основе является силовое прессование и вибропрессование. Наиболее перспективным направлением необходимо считать литьевую технологию, которая успешно развивается для получения цементных бетонов нового поколения – реакционно порошковых бетонов с эффективными суперпластификаторами [7, 8]. Такие бетоны изготавливаются из цемента с молотой каменной мукой, мелкого песка, дисперсной стальной фиброй и суперпластификатора (СП) литьевым при содержании воды 9-11%. Прочность их при сжатии достигает 150-200 МПа и более, на растяжение при изгибе – 15-25 МПа. Самоуплотняющиеся бетоны с такими же прочностными характеристиками изготавливают с использованием мелкозернистого щебня фракции 3-10 мм. Благодаря эффективным гиперпластификаторам (ГП) бетонные смеси саморастекаются и самоуплотняются под действием собственного веса.

В связи с этим основная задача в области совершенствования технологии высокоэкономичных минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических особовысокопрочных бетонов состоит в разработке супер- и гиперпластификаторов, высокие водоредуцирующие эффективны в присутствии щелочей NaOH, КOH, соды и других солей, каустифицируемых известью.

Выполненные работы на кафедре ТСМиД Пензенского ГУАС свидетельствует о невозможности получения литых смесей при использовании более чем 20 видов зарубежных СП и ГП. В присутствии щелочей происходит значительное изменение электрокинетического потенциала минеральных частиц и шлака и все известные пластификаторы не «работают». Исходя из теоретических представлений о механизме действия СП и ГП, можно выдвинуть гипотезу о том, что суперпластификаторы для сильнощелочных систем должны быть не ноногенными и, вероятнее всего, не олигомерными, а полимерными.

На основании выполненных работ могут быть сформулированы основные принципы получения минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих:

  1. В минерально-шлаковых вяжущих, согласно нашей классификации, минеральными компонентами, содержащимися в смешанном вяжущем в количестве 20-80% и в геошлаковых вяжущих – в количестве 5-20%, могут быть не только большая гамма горных пород, но и неактивные и малоактивные шлаки, кальцевые основные и кислые золы, пыли газоотчисток, цементные и известковые пыли, молотый бой любых керамических материалов (керамзита, аглопорита, плитки, кирпича, шамота) и стекла и многие минеральные отходы производства, не содержит гипса.
  2. Важным критерием интенсивного твердения прессованных и вибропрессованных изделий является дисперсность шлака и минерального компонента. Помол может быть раздельным и совместным до удельной поверхности 300-350 м2/кг. Более высокие результаты достигаются при более тонком измельчении горной породы, в связи с необходимостью растворения в сильнощелочной среде супертонких частиц минерального компонента из горных пород и техногенных отходов и получения композиционной цементирующей связки.
  3. При использовании в качестве активизатора смеси извести и соды (натриевых солей неорганических и органических кислот таблица), их целесообразно подвергать совместному помолу.
  4. Отходы мокрой магнитной сепарации и флотации руд цветных металлов можно использовать в виде суспензий, обезвоживания их сухими молотыми горными породами, техногенными отходами и шлаком до формовочной  влажности.
  5. Твердые модифицирующие добавки (гидроксид алюминия, алюминат натрия, боксид, каолин, шамот и др.) целесообразно размалывать совместно со шлаком.
  6. Для повышения прочности минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих и бетонов необходим их сухой прогрев при температурах изотермии от 100 до 250 °C в течении 5-10 час (в зависимости  от массивности изделий) после паротепловой обработки при t=60-90°C.
  7. Минеральные мелкозернистые наполнители для бетонов должны иметь наибольший размер зерен не выше 5-8 мм. Для них целесообразно применять ту же горную породу, которая используется в тонкодисперсном виде и близкую к ней для реализации протекания твердофазных реакции на границе «вяжущее – заполнитель» и повышения технико-экономических показателей при использовании отсевов камнедробления.
  8. Во всех составах минерально-шлаковых, геошлаковых и геосинтетических вяжущих целесообразно использовать добавку глины в количестве 5-7% для улучшения прессования, повышения трещиностойкости и реализации позитивной “безопасной” усадки [2].
  9. С целью изготовления гидрофобных и высококоррозистойких строительных материалов на МШВ, ГШ и ГС в качестве гидрофобной добавки в щелочные системы необходимо использовать щелочестойкие стеараты цинка и кальция и вводить их в вяжущее при совместном помоле [10, 11].
  10. При силовом прессовании влажность смеси должна составлять 12-14%, давление прессования 25 МПа.
  11. При производстве мелкозернистых бетонов методом вибропрессования целесообразно использовать пластификаторы, наилучшим из которых для щелочных систем является ЛСТ.

Библиографический список
  1. Бери Л., Мейсон Б., Дитрих Р. Минералогия: Теоретические основы. Описание минералов. Диагностические таблицы. Пер. с английского. – М: Мир, 1987. – 592 с.
  2. Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л. Комохов П.Г. и др. Глиношлаковые строительные материалы. Монография. Пенза. 2000. – 208 с.
  3. Ерошкина Н.А. Калашников В.И., Коровкин М.О. Минерально-щелочные вяжущие. Монография. М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования “Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва”. Пенза, 2012.
  4. Ерошкина Н.А., Калашников В.И., Коровкин М.О. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавками шлака, и бетон на его основе // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. С. 62-65.
  5. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Макридин Н.И., Карташов А.А. Новые геополимерные материалы из горных пород, активированные малыми добавками шлака и щелочей // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 93-95.
  6. Калашников В.И., Нестеров В.Ю., Гаврилова Ю.В., Кузнецов Ю.С. Теоретические и технологические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня // Строительные материалы. 2006. № 5. С. 60-63.
  7. Щелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе. Под редакцией В.Д. Глуховского. – Ташкент: Узбекистан, 1980.
  8. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. // Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102.
  9. Калашников В.И., Тараканов О.В., Кузнецов Ю.С., Володин В.М., Белякова Е.А. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 47-53.
  10. Калашников В.И., Мороз М.Н., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Василик П.Г. Органические гидрофобизаторы в минерально-шлаковых композиционных материалах из горных пород // Строительные материалы. 2005. № 4. С. 26-29.


Все статьи автора «Мороз Марина Николаевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: