Производство ячеистых бетонов относится к числу перспективных направлений использования геополимерных вяжущих в строительстве [1]. Повышенная вязкость разрушения геополимеров в сравнении с цементным камнем, а также низкая энергоемкость технологии обеспечивают преимущества геополимерных вяжущих в сравнении с портландцементом для производства неавтоклавных ячеистых бетонов.
Наиболее энергоемкой технологической операцией в производстве геополимерных вяжущих является помол сырья [2]. В связи с этим при выборе сырьевых материалов должно отдаваться предпочтение дисперсным или легко измельчаемым материалам.
К числу наиболее перспективных видов минерального сырья для получения геополимерного вяжущего для производства теплоизоляционных материалов в Пензенской области относятся кремнистые осадочные горные породы – опока и диатомит [3]. Опоки – это легкие плотные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших частиц (менее 0,005-0,001 мм) опал-кристобалита. Диатомит представляет собой слабосцементированные остатки кремнистых скелетов микроскопических водорослей с развитой внутренней поверхностью. Запасы этих горных пород в Пензенской области cоставляют сотни миллионов тонн.
В качестве дисперсного компонента для приготовления вяжущего для ячеистого бетона была использована Пензенская опока, измельченная до дисперсности 15000 и 22000 см2/г, а также Инзенский диатомит, измельченный до удельной поверхности 660…670 м2/кг. Для получения ячеистой структуры применялся газообразователь (алюминиевая пудра марки ПАК-3), который вводился в смесь при перемешивании сухих компонентов.
В качестве модифицирующих добавок использовались доменный гранулированный шлак Новолипецкого комбината, измельченный до дисперсности 200…400 м2/кг, микрокремнезем (МК) Липецкого металлургического комбината.
Химический состав перечисленных выше материалов приводится в табл. 1.
Таблица 1 – Химический состав исследуемых материалов
Сырье | SiO2 | CaO | MgO | Fe2O3 Feo |
Al2O3 | SO3 | MnO | п.п.п |
Опока Пензенская | 81-85 | 0,8-1,4 | < 1,2 | <1,5 | 5,4-7,3 | - | - | 5,33 |
Инзенский диатомит | 84,0 | 1,14 | 1,33 | 1,98 | 6,26 | 1,02 | - | 3,8 |
Шлак Новолипецкий | 38,64 |
41,93 |
7,24 | 0,19 0,69 |
8,81 | 0,14 | 1,06 | 1,3 |
Для активизации процесса твердения использовалось натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,70, и плотностью 1,47 г/см3, в которое вводился гидроксид натрия технический в количестве, обеспечивающем снижение силикатного модуля до 1,57. Кроме того, для приготовления некоторых составов использовались известь строительная и сода кальцинированная.
Для исследования измельчаемости горных пород и шлаков в экспериментах использовалась малая лабораторная шаровая мельница диаметром и длиной 150 мм. Масса мелющих тел во всех опытах была постоянной и составляла 1,5 кг. Продолжительность помола изменялась в зависимости от цели исследования. Измельчение велось в течение 10…20 минут. Затем из мельницы извлекались 3 пробы для определения удельной поверхности материала. После измерения дисперсности материала пробы возвращались в мельницу для продолжения помола. В течение каждого опыта проводилось 5…10 замеров удельной поверхности. По полученным результатам строилась зависимость удельной поверхности от времени измельчения.
Тонкость помола порошка оценивалась на приборе ПСХ-2. В связи с тем, что масса пробы материала для этого прибора зависит от его плотности, это свойство определялось для каждого исследуемого материала пикнометрическим методом.
При изготовлении ячеистого бетона сначала приготавливался активатор твердения: для этого щелочь растворялась в воде и к полученному раствору добавлялось растворимое стекло. На следующей стадии в течение 5 минут в шаровой мельнице или вручную производилось перемешивание сухих компонентов: опоки, диатомита, шлака, извести и микрокремнезема и т.д. до однородного состояния. Затем в чаше затворения перемешанный порошок разогревался при температуре 40-50°С для повышения активности горных пород. После этого разогретый порошок смешивался с активирующим раствором и укладывался в форму. Набор прочности ячеистого бетона или вяжущего проходил как в нормальных условиях, так и при термической обработке в термостате при температуре 60°С.
Опытным путем было подобрано количество воды необходимое для получения расплыва смеси около 180 мм на встряхивающем столике по ГОСТ 310.4-81. Было приготовлено 8 смесей, которые перемешивались с жидким стеклом в соотношении 1:1. Результаты определения расплыва смеси через различные промежутки времени приводятся в табл. 2.
Таблица 2 – Водопотребность и кинетика изменения расплывов смесей
Состав дисперсного наполнителя |
Добавка воды в % от массы сухого вещества |
Расплыв смеси, мм, через различные интервалы времени, мин |
||||||
1 |
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
||
Опока |
37,2 |
184 |
176 |
171 |
162 |
153 |
144 |
138 |
Опока+8% МК |
40,2 |
178 |
160 |
151 |
142 |
128 |
110 |
– |
Опока+15 % шлака |
33,3 |
181 |
154 |
129 |
104 |
– |
– |
– |
Диатомит |
36,1 |
182 |
167 |
162 |
156 |
141 |
130 |
124 |
Диатомит+8% МК |
41,2 |
177 |
162 |
142 |
129 |
113 |
100 |
– |
Диатомит+15 % шлак |
32,4 |
179 |
155 |
123 |
103 |
– |
– |
– |
Опока+15 % Шлак+8% МК |
42,7 |
177 |
142 |
115 |
– |
– |
– |
– |
Диатомит+15 % Шлак+8% МК |
48,7 |
175 |
136 |
102 |
– |
– |
– |
– |
Как видно из данных в табл. 2 добавка шлака значительно снижает водопотребность смеси, а микрокремнезем повышает эту характеристику, что связано, вероятно, с дисперсностью этих материалов, требующих в первом случае меньше жидкости для смачивания поверхности частиц, а во втором – больше.
Введение добавки шлака и микрокремнезема ускоряет потерю подвижности смеси из-за более высокой (в сравнении с опокой и диатомитом) скорости взаимодействия с силикатом натрия. Проведенный эксперимент показал, что использование микрокремнезема в сырьевой шихте с точки зрения водопотребности и жизнеспособности смеси не оправдано. Составы на основе опоки дольше сохраняют подвижность, чем составы на основе диатомита, в связи с чем, для приготовления ячеистого бетона использовалась опока.
Для оценки влияния соотношения опоки и жидкого стекла, а также времени выдержки смеси был реализован двухфакторный план эксперимента. Пористая структура материала получалась за счет нагрева смеси до температуры кипения воды в микроволновой печи в течение 3 минут при мощности 800 Вт. Вспучивание смеси производилось в деревянной кубической форме с длиной ребра 50 мм. После вспучивания и остывания образца у него срезалась горбушка, затем он измерялся, взвешивался и испытывался на прочность при сжатии. Результаты испытания приводятся в табл. 3.
Таблица 3 – Влияние соотношения жидкое стекло:наполнитель и времени предварительной выдержки на свойства материала
№ опыта |
Значение исследованных факторов |
Свойства материала |
Примечание |
||
Соотношение жидкое стекло:опока |
Предварительная выдержка, мин |
Плотность, кг/м3 |
Прочность, МПа |
||
1 |
1:3 |
5 |
– |
– |
После перемешивания получена рыхлая не связанная смесь |
2 |
1:3 |
15 |
– |
– |
|
3 |
1:3 |
25 |
– |
– |
|
4 |
1:1 |
5 |
570 |
1,49 |
|
5 |
1:1 |
15 |
821 |
2,33 |
|
6 |
1:1 |
25 |
727 |
2,30 |
|
7 |
3:1 |
5 |
484 |
1,13 |
|
8 |
3:1 |
15 |
655 |
1,85 |
|
9 |
3:1 |
25 |
374 |
0,72 |
Составы 1-3 с низким содержанием жидкого стекла представляли собой после приготовления рыхлую массу, частицы которой не связаны между собой. Плотность составов при повышении времени выдержки с 5 до 15 мин возрастает, а затем, при увеличении продолжительности выдержки до 25 мин снижается. Дальнейшее увеличение продолжительности выдержки было невозможно потому, что смесь теряла пластичность и ее невозможно было уложить в форму.
Сравнение прочностных показателей и плотности полученных материалов с характеристиками других теплоизоляционных материалов (см. рис. 1) [4, 5] позволяет сделать вывод о том, что прочность исследованного материала не уступает прочности цементного неавтоклавного ячеистого бетона при равных значениях плотности.
Рисунок 1 – Зависимость прочности от плотности для исследуемого материала и других теплоизоляционных материалов
Выводы
На основе опоки и жидкого стекла может быть получен теплоизоляционный строительный материал, не уступающий по соотношению прочности и плотности безавтоклавному ячеистому бетону на основе портландцемента.
Библиографический список
- Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications. 3rd eddition. –France,Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. – 614 p.
- Ерошкина Н.А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: моногр. / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.
- Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Полубаров Е.Н., Аксенов С.В. Теплоизоляционные геополимерные строительные материалы на основе опоки // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/51890 (дата обращения: 22.04.2015).
- СНиП II-3-79* Строительная теплотехника.
- Коровяков В.Ф. Эффективный теплоизоляционный материал «Эволит-термо» // Строительные материалы. – 2003. – № 3. – С. 14-15.
Количество просмотров публикации: Please wait