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

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

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

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.