Разработчики новых технологий строительных материалов считают геополимерные вяжущие перспективной основой создания технологической платформы ресурсосберегающей индустрии материалов для строительства. Эти материалы обладают рядом ценных свойств и в ближайшем будущем могут послужить альтернативой современным вяжущим на основе портландцемента [1].

Основным сырьем для получения геополимеров служат природные и искусственные алюмосиликатные материалы – каолины, полевые шпаты, шлаки, золы и другие материалы, твердение которых активизируется низкомодульными силикатами щелочных металлов [1].

В качестве одного из наиболее перспективных сырьевых материалов для геополимерных вяжущих рассматриваются отходы добычи и переработки каменных горных пород [2-5], в частности дисперсные отходы дробления щебня из изверженных горных пород.

Нами были проведены сравнительные исследования ряда магматических горных пород с целью выявления материалов, обладающих высокой активностью при низкотемпературной тепловой обработке или при естественном твердении.

Для реализации поставленной цели были исследованы физико-механические свойства геополимерных вяжущих, изготовленных из магматических горных пород с добавкой доменного гранулированного шлака. Образцы, изготовленные из исследованных вяжущих, формовались за счет прессования или виброуплотнения. Прочность вяжущих, изготовленных при виброуплотнении, определялась на образцах размером 20×20×20 мм, а прочность вяжущих, заформованных прессованием под давлением 25 МПа, на образцах цилиндрической формы с диаметром и высотой 25 мм. Для приготовления геополимерного вяжущего использовались магматические горные породы: гранит Павловского месторождения (Воронежская область), сиенит Хребетского месторождения (Урал), перидотит (Карелия) и доменный шлак Новолипецкого металлургического комбината. Горные породы измельчались в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 350 м²/кг по прибору ПСХ-2, а шлак до удельной поверхности 380 м²/кг. Шлак вводился в состав вяжущего в количестве 25 %. В качестве активатора процесса твердения использовался раствор силиката натрия и NaOH. Количество силиката натрия в геополимерной смеси для формования образцов методом литья составляло 40,5%, а методом прессования – 19,6% от веса сухих компонентов. Содержание в геополимерных составах NaOH, силиката натрия и воды в активизирующем растворе приведено в табл. 1 и 2.

Отформованные образцы выдерживались под полиэтиленовой пленкой в течение 3 суток во избежание быстрого высыхания, по истечении которых определялась прочность материала. Дальнейшее твердение образцов проходило при температурах 60°С, 80°С или 105°С. Определение прочности и плотности образцов осуществлялось после термической обработки.

Таблица 1 – Составы и свойства геополимерных вяжущих, изготовленных путем прессования

Таблица 2 – Составы и свойства геополимерных вяжущих, изготовленных из пластичных смесей

Для определения подвижности пластичных смесей использовался цилиндрический вискозиметр с диаметром 16 мм и высотой 20 мм. Подвижность смеси оценивалась по диаметру ее расплыва на стекле. Результаты испытания по определению подвижности геополимерной смеси у различных горных пород в присутствии добавки и без нее представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Консистенция геополимерной смеси на основе различных горных пород

Из табл. 3 видно, что геополимерные смеси, приготовленные из различных горных пород, отличаются по консистенции. Наибольшей водопотребностью обладает смесь, изготовленная из сиенита, а наименьшей – из перидотита; соответственно подвижность таких смесей составляет 26,5 мм и 48 мм. Добавка шлака снижает водопотребность на 11% у вяжущего на основе сиенита и на 4% – у вяжущего на основе перидотита. У вяжущего на основе гранита в присутствии шлака, наоборот, отмечено увеличение водопотребности на 8%.

При сопоставлении результатов прочности и плотности образцов, полученных прессованием из жестких смесей (табл. 1), наблюдается общая закономерность, проявляющаяся в достижении высокой прочности и плотности вяжущих из различных горных пород только при модификации их шлаком при низкотемпературной обработке, не превышающей 60…80°С. При этом максимальной прочностью (62,9 МПа) обладает вяжущее, полученное на основе сиенита. При отсутствии модификатора шлака для получения высокопрочных вяжущих требуется прогрев при температуре не менее 105°С. В данном случae наибольшей активностью обладает вяжущее на основе перидотита, прочность которого около 50 МПа.

Сравнение прочностных характеристик вяжущих без добавки и с добавкой шлака, изготовленных из пластичных смесей (табл. 2), позволяет сделать вывод о том, что в нормальных условиях горные породы без добавки шлака не твердеют, а после тепловой обработки при 60 °С прочность вяжущих без шлака незначительна. Повышение температуры тепловлажностной обработки до 80 °С обеспечивает увеличение прочности вяжущих с добавкой шлака в 1,5-2,4 раза. При повышение температуры тепловой обработки до 105 °С отмечается рост прочности вяжущих без добавки шлака. В составах со шлаком прочность растет только до температуры 80 °С. В целом введение 25 % шлака в состав вяжущего обеспечивает более высокую прочность.

Выводы

В ходе работы из смесей жесткой и пластичной консистенции методами прессования и литья были получены геополимерные вяжущие из магматических горных пород, измельченных до удельной поверхности цемента с высокими физико-механическими свойствами. Установлена оптимальная температура тепловой обработки для вяжущих с добавкой и без добавки шлака. Температура твердения вяжущих без добавки шлака может составлять более 100°С, для вяжущих с добавкой шлака – не должна превышать 80°С. Максимальной активностью при изготовлении вяжущих из жестких смесей характеризуется вяжущее на основе сиенита, из пластичных смесей – на основе гранита. В связи с тем, что водопотребность геополимерных смесей из перидотита и гранита низкая, то предполагается повышение прочности вяжущего за счет уменьшения количества воды в активизирующем растворе.

1. Davidovits, J. Chemistry of geopolymer systems, terminology // In Proceedings of Geopolymer ‘99 International Conferences, France. – 1999. – P. 31-46.
2. Калашников, В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих // Современные состояние и перспективы развития строительных материаловедения: материалы VIII Академических чтений. – Самара, 2004. – С. 193-197.
3. Ерошкина, Н.А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.
4. Ерошкина, Н.А. Геополимерные вяжущие на базе магматических горных пород и бетоны на их основе / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин // Цемент и его применение. – 2014. – № 4. – С. 107-113.
5. Ерошкина, Н.А. Зависимость свойств геополимерных вяжущих на основе магматических горных пород от состава сырья / Н. А. Ерошкина, М.О. Коровкин, С.В. Аксенов, Е.Н. Полубаров // Молодой ученый. – 2015. – №8. – С. 241-244.

Все статьи автора «Коровкин Марк Олимпиевич»