УДК 691.5:553.53:661.3

ВЫБОР МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК ДЛЯ ГЕОПОЛИМЕРНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Ерошкина Надежда Александровна1, Коровкин Марк Олимпиевич2, Тымчук Екатерина Ильинична3
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, инженер-исследователь
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов и деревообработки
3Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент

Аннотация
Рассмотрено влияние на свойства геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород модифицирующих добавок – доменного гранулированного шлака, каолина, метакаолина и гидроксида алюминия. Показано, что оптимальной добавкой с точки зрения одновременного повышения прочности и водостойкости вяжущего является доменный шлак.

Ключевые слова: геополимер, магматическая горная порода, модифицирующие добавки, шлак


THE CHOICE OF MODIFYING ADDITIVES FOR GEOPOLYMER BINDER BASED ON MAGMATIC ROCKS

Eroshkina Nadezda Alexandrovna1, Korovkin Mark Olimpievich2, Tymchuk Ekaterina Ilyinichna3
1Penza State University of Architecture and Construction, Assistant Professor of the Foreign Languages Department, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of Scientific and Research Sector
2Penza State University of Architecture and Construction, Assistant Professor of the Foreign Languages Department, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the department «Technolgy of building materials and wood processing»
3Penza State University of Architecture and Construction, Assistant Professor of the Foreign Languages Department, student

Abstract
The influence of modifying additives (granulated blast-furnace slag, kaolin, metakaolin and aluminum hydroxide) on the properties of the geopolymer binder based on magmatic rocks has been considered. It is shown that granulated blast-furnace slag is optimal additive from the point of view of simultaneous increasing of strength and water resistance of the binder.

Keywords: geopolymer, magmatic rock, modifying additives, slag


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Выбор модифицирующих добавок для геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/11/40897 (дата обращения: 02.06.2017).

Портландцемент имеет значительные преимущества в сравнении с другими вяжущими. Объемы мирового производства цемента – основного вяжущего в современном строительстве – достигли 4 млрд. тонн в год [1]. Однако в настоящее время возникают проблемы из-за недостатков его технологии.

При производстве 1 тонны цемента в атмосферу выделятся от 0,5 до 1 тонны углекислого газа [2] за счет декарбонизации сырья и сжигания углеводородного топлива. Цементная отрасль занимает второе место среди промышленных отраслей по выбросам этого парникового газа. Кроме того, в технологии цемента имеются энергоемкие процессы, в частности помол сырья и клинкера, а также обжиг последнего при температуре 1400…1500 °С. В связи с этим развитие производства портландцемента в ближайшем будущем будет сталкиваться с экологическими и энергетическими проблемами.

К наиболее перспективным вяжущим, которые рассматриваются в качестве ресурсо- и энергосберегающей альтернативы портландцемента, сегодня относят геополимеры – алюмосиликатные материалы, имеющие полимерную структуру [3]. Основными преимуществами этой группы вяжущих в сравнении с портландцементом является возможность использования в их производстве промышленных отходов – шлаков, зол, шламов, отходов обогащения полезных ископаемых.

Однако объемы производства портландцемента намного превосходят объемы доменных гранулированных шлаков и зол ТЭС, на основе которых получены геополимерные вяжущие с достаточно высокими характеристиками. В связи с этим для полноценного замещения портландцемента необходимы поиск новых источников сырья для геополимерных вяжущих и разработка технологий их производства.

К числу наиболее перспективных видов такого сырья относятся магматические [3, 4] и осадочные [5] горные породы. Недостатками геополимерных вяжущих, полученных на основе измельченных горных пород, являются медленное твердение и низкая водостойкость при длительном действии воды. В работе [5] для повышения водостойкости вяжущего щелочной активации на основе опаловидных кремнеземов предлагается использовать гидроксид алюминия и доменный гранулированный шлак [5].

Для повышения водостойкости геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород – гранита и базальта – были исследованы: гидроксид алюминия, шлак Новолипецкого металлургического комбината, каолин Просянского месторождения и полученный в результате обжига каолина при 750 ºС в течение 4 часов метакаолин. В качестве сырья для получения вяжущих использовались гранит Павловского месторождения и базальт одного из месторождений Урала, которые измельчались в шаровой мельнице до дисперсности 350 м2/кг. Применялись добавки-модификаторы – гидросид алюминия технический, каолин Просянского месторождения, метакаолин, доменный гранулированный шлак. Дисперсность шлака во всех опытах была 380 м2/кг, если не указано другое значение. Содержание добавки каолина и метакаолина составляло 5, 10 и 15 % от веса вяжущего, количество шлака –от 6 до 36 %. При изготовлении вяжущего горная порода перемешивалась с модифицирующей добавкой и затворялась раствором щелочного активатора при отношении активирующий раствор/вяжущее, равном 0,4. В качестве активатора применялась смесь жидкого стекла и гидроксида натрия с отношением 8:1. Твердение вяжущих проходило в нормальных условиях и при тепловой обработке по режиму: 4 часа –  подъем температуры и 6 часов – изотермическая выдержка при 150 ºС, 4 часа – остывание.

Результаты испытания вяжущих с модифицирующими добавками показали, что все добавки, за исключением гидроксида алюминия, вызывают повышение прочности вяжущего, а гидроксид алюминия – значительное снижение (рис.1а). Наибольший прирост прочности отмечается при введении доменного шлака. Использование этой добавки в составе вяжущего, в отличие от каолина и метакаолина, значительно повышает водостойкость вяжущего (рис.1б). Увеличение водостойкости отмечается при введении в состав вяжущего до 5 % гидроксида алюминия, а при более высоком расходе этой добавки происходит снижение водостойкости вяжущего (рис.1б). Для вяжущих на основе базальта были получены похожие зависимости.

а)

б)

Рис.1. Зависимость прочности (а) и коэффициента размягчения (б) вяжущего на основе гранита, твердевшего при тепловой обработке 150°С, от вида и содержания модифицирующих добавок:

1 – гидроксид алюминия, б – каолин, в – метакаолин, г – шлак

Исследование показало, что наиболее эффективной модифицирующей добавкой для вяжущего на основе гранита и базальта является доменный гранулированный шлак, который способен при замещении 15 % горной породы увеличить прочность вяжущего на 50%. Кроме того, введение этой добавки обеспечивает повышение коэффициента размягчения с 0,57 до 1, то есть позволяет перевести вяжущее из воздушного в гидравлическое.

Добавка шлака показала высокую эффективность в отличие от остальных добавок. В связи с этим было исследовано ее влияние на свойства вяжущего в зависимости от условий твердения, дозировки и дисперсности добавки.


Рис.2. Прочность вяжущих через 28 сут в зависимости от содержания добавки шлака: при твердении вяжущих на основе гранита (1) и базальта (2) в нормально-влажностных условиях; при твердении вяжущих на основе гранита (3) и базальта (4) в воде

Как видно из рис. 2, геополимерное вяжущее на основе гранита и базальта набирает более высокую прочность при твердении в воде по сравнению с твердением в нормально-влажностных условиях при дозировках добавки шлака более 8…10 %. Увеличение расхода шлака с 6 до 30 % в вяжущих на основе гранита и базальта повышает их прочность в несколько раз. При дальнейшем увеличении расхода шлака прочность вяжущего практически не изменяется. Это можно объяснить значительным увеличением усадки при дозировке шлака более 30 %, а также образованием трещин в материале, которые негативно сказываются на прочности вяжущего.

Более высокая прочность характерна для вяжущего на основе гранита (см. рис 2.), что связано с более высоким содержанием в базальте по сравнению с гранитом оксида железа, который снижает прочность за счет образования микронапряжений [4]. Повышенная дозировка шлака также может стать причиной усадки, потери прочности и снижения долговечности бетона на основе такого вяжущего.

Анализ графиков кинетики твердения вяжущих с 25 % шлака с различной удельной поверхностью (рис. 3) показывает, что шлак оказывает большое влияние на структурообразование геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород. Увеличение дисперсности шлака с 200 до 400 м2/кг значительно повышает прочность вяжущих, особенно на ранних стадиях твердения; при последующем твердении набор прочности незначителен.

Повышение удельной поверхности горной породы также дает увеличение прочности вяжущего, однако эта закономерность проявляется в поздние сроки твердения. Зависимость прочности от удельной поверхности шлака и горной породы через 28 сут твердения в нормальных условиях имеет линейный характер, но увеличение удельной поверхности горной породы в интервале от 200 до 400 м2/кг обеспечивает приращение прочности в 3 раза меньше, чем для шлака. Это объясняется большей реакционной способностью шлака, который оказывает ведущее влияние на твердение вяжущего в ранние сроки, а на более поздних этапах структурообразования проявляется реакционная способность горной породы.

а)

б)

Рис. 3. Зависимость прочности вяжущего на основе гранита (а) и базальта (б) от продолжительности твердения и дисперсности добавки шлака:
1 – 200 м2/кг; 2 – 300 м2/кг; 3 – 400 м2/кг

Выводы

Установлено влияние модифицирующих добавок на прочностные свойства и водостойкость геополимерного вяжущего на основе магматических горных пород. Из рассмотренной группы добавок (каолин, метакаолин, гидроксид алюминия, гранулированный шлак) добавкой, одновременно обеспечивающей водостойкость и повышение прочности вяжущего, является добавка доменного гранулированного шлака в количестве 10-25 %. Установлено, что для обеспечения твердения вяжущего при тепловой обработке, в нормальных условиях и в воде дисперсность добавки должна быть около 300-400 м2/кг.


Библиографический список
  1. Mineral commodity summaries 2014. – URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2014/mcs2014.pdf. Дата обращения: 14.10.2014.
  2. Increased cement production drives up energy costs and emissions, forcing manufacturers to overhaul the energy used within production. – URL: http://blog.schneider-electric.com/mining-metals-minerals/2013/12/02/increased-cement-production-drives-energy-costs-emissions-forcing-manufacturers-overhaul-energy-used-within-production/ Дата обращения: 14.10.2014.
  3. Davidovits, J. Geopolymer Chemistry and Applications / J. Davidovits. – Saint Quentin, France: Geopolymer Institute, 2011. – 632 p.
  4. Ерошкина, Н.А. Исследование вяжущих, полученных при щелочной активизации магматических горных пород / Н.А. Ерошкина // Строительство и реконструкция. –2011. –№1 (33). – С. 61-64.
  5. Калашников, В. И. Технологические и теоретические основы получения высокопрочного силицитового геополимерного камня / В. И. Калашников, В. Ю. Нестеров, Ю. С. Кузнецов [и др.] // Строительные материалы. – 2006. – № 5. –С. 60-63.
  6. Didamony H. El, Assal H.H., Sokkary T.M. El., Abdel Gawwad H.A. Kinetics and physico-chemical properties of alkali activated blast-furnace slag/basalt pastes // Housing and Building National Research Center. 2012. 8.3. P. 170-176.
  7. Ерошкина, Н.А. Влияние минерального состава магматических горных пород на активность геополимерного вяжущего / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин, С.В.Аксенов // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – № 1. – С. 84-89.
  8. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Ресурсосберегающие технологии геополимерных вяжущих и бетонов на основе отходов добычи и переработки магматических горных пород: монография. – Пенза: Изд-во ПГУАС, 2013. 152 с.


Все статьи автора «Ерошкина Надежда Александровна»


© 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: