УДК 691.5:553.53:666.952.2:661.3

ГЕОПОЛИМЕРНЫЕ ВЯЖУЩИЕ НА ОСНОВЕ ЗОЛ-УНОСА И ГОРНЫХ ПОРОД

Ерошкина Надежда Александровна1, Коровченко Игорь Валерьевич2, Тымчук Екатерина Ильинична3, Коровкин Марк Олимпиевич4
1ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., инженер-исследователь
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», магистрант
3ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», студент
4ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», к.т.н., доцент

Аннотация
Приведены результаты исследования геополимерных вяжущих на основе дисперсных промышленных отходов топливной и горнодобывающей промышленностей – золы-унос и отходов добычи и переработки магматических горных пород. Установлены зависимости прочности и усадки геополимерных вяжущих от условий твердения и дозировки добавки извести.

Ключевые слова: геополимерное вяжущее, зола-унос, отходы добычи магматических горных пород, прочность, усадка, щелочная активация


GEOPOLYMER BINDER ON THE BASIS OF FLY ASH AND ROCKS

Eroshkina Nadezda Alexandrovna1, Korovchenko Igor Valerievich2, Tymchuk Ekaterina Ilyinichna3, Korovkin Mark Olimpievich4
1Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Engineer-researcher
2Penza State University of Architecture and Construction, Master-student
3Penza State University of Architecture and Construction, Student
4Penza State University of Architecture and Construction, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Abstract
Results of the study of geopolymer binder based on dispersed industrial waste of fuel and mining industries such as fly ash and waste production and processing of magmatic rocks are given. Dependences of strength and shrinkage of geopolymer binders from hardening conditions and dosage of lime additive were determined.

Keywords: alkaline activation, fly ash, geopolymer binder, shrinkage, strength, waste production of magmatic rocks


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ерошкина Н.А., Коровченко И.В., Тымчук Е.И., Коровкин М.О. Геополимерные вяжущие на основе зол-уноса и горных пород // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/51849 (дата обращения: 30.09.2017).

Введение

Развитие технологии геополимерных вяжущих строительного назначения [1, 2] открывает широкие перспективы в области снижения потребности строительной индустрии в природных минеральных ресурсах за счет их замены на многотоннажные отходы, в частности пылевидные фракции отсевов дробления щебня и обогащения руды, золы сжигания угля на тепловых электростанциях. В производстве геополимерных материалов отсутствует операция обжига, а в качестве сырья могут быть использованы дисперсные промышленные отходы, требующие незначительного доизмельчения, благодаря чему энергопотребление таких технологий в несколько раз ниже, чем традиционных технологий строительных материалов [1-5]. Однако развитие технологии геополимерных материалов сдерживается отсутствием достоверных данных о влиянии технологических факторов на свойства вяжущих. К числу важнейших свойств вяжущих материалов, кроме прочности, относится усадка, так как она в значительной степени определяет долговечность материала [4].

Исследованиями [4] установлено, что для получения вяжущего на основе магматических горных пород необходимо использовать добавку шлака, которая обеспечивает водостойкость вяжущего, а также значительно повышает прочность.

Настоящая работа посвящена сравнительным исследованиям свойств геополимерных вяжущих на основе промышленных отходов.

Методы и материалы

Геополимерные вяжущие были изготовлены с использованием золы-унос Томь-Усинской ГРЭС, а также отсевов дробления щебня из магматических горных пород – гранита, дацита и габбро-диабаза. Сырьевые материалы измельчались в шаровой мельнице: зола-унос до удельной поверхности 600 м2/кг, горные породы – до 400 м2/кг. В качестве основного компонента геополимерных вяжущих на основе горных пород использовались гранит Павловского месторождения, гранит Хребетского месторождения, дацит и габбро-диабаз. Во все составы вяжущего вводилась добавка доменного гранулированного шлака, измельченного до дисперсности 380 м2/кг в количестве 8 %. В качестве активатора твердения использовалось жидкое натриевое стекло с Мс=2,84 в количестве 13 % по сухому веществу от веса вяжущего, а также известь строительная в количестве 2-6 %. Процедура приготовления вяжущего была следующей: измельченная горная порода или зола-унос перемешивались с добавкой шлака и извести. Подготовленный порошок затворялся раствором щелочного активатора на основе силиката натрия и воды до обеспечения отношения активирующего раствора к вяжущему 0,42.

Оценка консистенции вяжущего теста производилась по распыву смеси из цилиндрического вискозиметра диаметром 16 и высотой 15 мм через 5 минут после начала приготовления смеси.

Для определения прочности и усадки вяжущего были изготовлены образцы, которые твердели в нормальных условиях и в условиях тепловой обработки при температуре изотермической выдержки 60, 80 и 105°С в течение 10 часов. Прочностные свойства вяжущего оценивались на образцах размером 20×20×20 мм, а усадка – на образцах размером 20×20×100 мм.

Результаты и обсуждение результатов

Данные на графиках (рис.1 и 2) свидетельствуют о том, что технологические факторы – количество добавки извести и температура тепловой обработки оказывают значительное влияние на свойства геополимерных вяжущих. Увеличение доли извести в вяжущем на основе золы-унос более 4 % приводит к снижению удобоукладываемости (см. рис.1). По данным рис.4 введение в геополимерные вяжущие на основе магматических горных пород извести в количестве до 4 % практически не отражается на удобоукладываемости смеси.

Рисунок 1 – Влияние добавки извести в золе-унос на подвижность смеси

Рисунок 2 – Прочность геополимерного вяжущего на основе золы-унос в зависимости от расхода извести в различных условиях твердения: 1 – 3 сут при 20оС; 2 – при 60оС; 3 – при 80оС; 4 – при 105оС

Исследования зависимостей прочности от температуры твердения и количества извести показали, что оптимальная дозировка 2 %. Такая дозировка почти у всех видов вяжущего – как на золе-унос (см. рис. 2), так и на горных породах (см. таблицу), твердеющих при различных условиях, обеспечивает прирост прочности. Для вяжущих на основе золы-унос наибольшая величина прироста прочности (15 МПа) при введении 2 % извести достигается при температуре тепловой обработки 60 °С (рис.2). Твердение вяжущего на основе золы-унос при 105 °С обеспечивает наибольшую прочность вяжущего – 54 МПа. Повышение дозировки извести более 2 % дает снижение прочности.

Таблица – Свойства геополимерных вяжущих на основе некоторых видов магматических горных пород

Порода

Шлак, %

Известь, %

Прочность, МПа, после ТО при

Усадка, мм/м, после высыхания

60°С

80°С

105°С

Гранит Хребетский

8

0

13,25

25

32

1,70

2

14,3

28

29,5

2,96

4

15,5

29

34,5

3,30

Гранит Павловский

8

0

15,5

29,3

41

1,13

2

24

34

35,7

1,80

4

18,7

30,8

31,3

2,39

Дацит

8

0

31,3

18

-

1,86

2

35,7

29,3

-

2,78

4

34,3

28,7

-

3,35

Габбро-диабаз

8

0

9

24,3

-

1,53

2

13,75

29,0

-

2,12

4

11,5

31,5

-

2,47

Из таблицы видно, что активность геополимерных вяжущих на основе различных горных пород также в значительной степени зависит от температуры твердения. Эффективность введения добавки извести в количестве 2 % возрастает с увеличением температуры твердения до 80°С. При данной температуре твердения и указанной дозировке добавки у вяжущих на основе гранита Павловского, гранита Хребетского и дацита прочность составляет соответственно 28,0; 34,0; 29,3 МПа. С введением добавки извести прочность геополимерных вяжущих на основе гранитов при тепловой обработке при 105°С снижается.


Рисунок 3 –Усадка геополимерного вяжущего на основе золы-унос при выдержке в различных условиях в зависимости от расхода извести: 1 – 0 %, 2 – 2 %, 3 – 4 %, 4 – 6 %


Рисунок 4 – Подвижность смеси геополимерного вяжущего по распыву уменьшенного цилиндра при использовании в качестве основы: 1 – гранит Хребетский, 2 – гранит Павловский, 3 – дацит, 4 – габбро-диабаз

Результаты исследования усадки геополимерных вяжущих на основе золы-уноса (рис.3) и горных пород (см. таблицу) показывают, что увеличение дозировки извести приводит к повышению усадки. Интенсивный рост усадочных деформаций вяжущих происходит при их твердении в условиях тепловой обработки вследствие обезвоживания. При этом наибольшая усадка отмечается у вяжущего на основе золы-унос, что можно объяснить более высокой удельной поверхностью золы в сравнении с горными породами. Среди исследованных геополимерных вяжущих на основе горных пород наименьшей усадкой характеризуются вяжущие на основе Павловского гранита и габбро-диабаза, усадка которых не превышает 1,13 и 1,53 мм/м соответственно.

Выводы и заключения

Проведенные исследования показали, что в качестве основного компонента геополимерного вяжущего могут использоваться как зола-унос, так и отходы добычи магматических горных пород. Введение извести в качестве частичной замены активатора твердения – силиката натрия – малоэффективно, поскольку способствует увеличению усадочных деформаций, а в ряде случаях – снижению прочности.


Библиографический список
  1. Davidovits J. 30 Years of Successes and Failures in Geopolymer Applications. Market Trends and Potential  Breakthroughs // Geopolymer Conference, October 28-29, 2002. Melbourne, Australia.
  2. Dombrowski K., Buchwald A., Weil M. The Influence of Calcium Content on the Structure and Thermal Performance of Fly Ash Based Geopolymers // Journal of Materials Science. 2007. V. 42, No. 9. Р. 3033–3043.
  3. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Мишанов А.А. Перспективность горных пород в качестве сырья для производства геополимеров в зависимости от их генезиса // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: материалы международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2007. – С. 92-95.
  4. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Ресурсосберегающие технологии  геополимерных вяжущих и бетонов на основе отходов добычи и переработки магматических горных пород: моногр. / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2013. – 152 с.
  5. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Коровченко И.В. Свойства геополимерного вяжущего на основе золы-унос Томь-Усинской ГРЭС // Новый университет. Серия: Технические науки. 2014. № 12 (34). С. 30-34.


Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»


© 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: