CC BY
12
Оригинальная статья
УДК 502/504: 627.8:658.5
DOI: 10.26897/1997-6011-2021-1-41-46
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВА МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ БЕСЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
ЖАРНИЦКИЙ ВАЛЕРИЙ ЯКОВЛЕВИЧд-р техн. наук, профессор
zharnitskiy@mail.ru
КОРНИЕНКО ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ, заведующий лабораторией
когшепко.р.а@тай.гател
СМИРНОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент
sxodnyasmirnov@mail.ru
Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева; 127434, Москва, Тимирязевская ул., 49, Россия
В процессе эксплуатации конструкций (изделий, сплавов кремния) в результате естественной карбонизации происходит частичное разложение гидросиликатов кальция с образованием вторичного кальцита и геля поликремневой кислоты. Основа кремнекислородных анионов низкомолекулярной растворимости характеризует степень полимеризации кремнесодержащей части для образцов из конструкций 2-годичной эксплуатации. Это позволяет сделать заключение о продолжающихся химических реакциях между кремнеземистой составляющей вулканической породы и свободной Са(ОН)2, что приводит к увеличению объема гелевидной составляющей и, как следствие, к упрочнению керамзитобетона. Результаты исследований свидетельствуют о том, что образование на поверхности керамзитового заполнителя упрочненного контактного слоя в результате химического взаимодействия Са(ОН)2 и сульфат-иона со стеклофазой заполнителя, а также взаимное перекрытие полей контактных слоев, ввиду их развитости и относительно низкого расхода вяжущего материала, предполагают создание керамзитобетонных конструкций с высокими эксплуатационными показателями.
Ключевые слова: облицовка каналов, водохозяйственные объекты, водонепроницаемость, автоклавные бетоны, вулканическая порода, керамзитобетон, ферросилиция, бесцементные вяжущие
Формат цитирования: Жарницкий В.Я., Корниенко П.А., Смирнов А.П. Экспериментально-теоретическое обоснование состава материала конструкций на основе бесцементных вяжущих композиций для водохозяйственного строительства // Природообустройство. - 2022. - № 1. - С. 41-46. DOI: 10.26897/1997-6011-2022-1-41-46.
© Жарницкий В.Я., Корниенко П.А., Смирнов А.П., 2022
Original article
EXPERIMENTAL AND THEORETICAL SUBSTANTIATION OF THE COMPOSITION OF THE MATERIAL OF STRUCTURES ON THE BASIS OF CEMENTLESS BINDER COMPOSITIONS FOR WATER MANAGEMENT CONSTRUCTION
ZHARNITSKIY VALERIJ YAKOVLEVICHM, doctor of technical sciences, professor
zharnitskiy@mail.ru
KORNIENKO PAVEL ALEKSANDROVICH, head of the laboratory
kornienko.p.a@mail.ruтел
SMIRNOV ALEKSANDR PETROVIICH, candidate of technical sciences, associate professor
sxodnyasmirnov@mail.ru
Russian state agrarian university — MAA named after C.A. Timiryazev; 127434, Moscow, Timiryazevskaya, 49. Russia
The process of operation of structures (products, silicon alloys,) as a result of natural carbonation, partial decomposition of calcium hydrosilicates occurs with the formation of .secondary calcite and polysilic
acid gel. The basis of silicon-oxygen anions of low molecular solubility, characterizes the degree of polymerization of the silicon-containing part: for samples from structures of a 2-year operation. This allows us to conclude about the ongoing chemical reactions between the silica component of the volcanic rock and the free Ca (OH)2, which leads to an increase in the volume of the gel-like component and, as a result, the hardening of expanded clay concrete. The research results indicate that the formation of a hardened contact layer on the surface of the expanded clay aggregate as a result of the chemical interaction of Ca (OH) 2 and sulfate ion with the glass phase of the filler, as well as the mutual overlap of the fields of the contact layers, due to their development and relatively low consumption of the binder material, presupposes the creation of expanded clay concrete structures with high performance.
Keywords: canal lining, water management objects, water resistance, autoclaved concrete, volcanic rock, expanded-clay concrete, ferrosilicon, cement-free binders
Format of citation: Zharnitskiy V. Ya., Kornienko P.A., Smirnov A.P. Experimental and theoretical substantiation of the composition of the material structures on the basis of cementless binder compositions for water management constructions // Prirodoobustrojstvo. -2022. - № 1. - S. 41-46. DOI: 10.26897/1997-6011-2022-1-41-46.
Введение. Большое количество работ в практике производства строительных матери-аловпосвящено использованию отходов производства сплавов кремния - в частности, ферросилиция [1-4], объем отходов которых по разным оценкам [2, 4, 5] составляет до 1000000 т в год. Отмечается высокая эффективность использования отходов ферросилиция в качестве добавки для повышения строительно-эксплуатационных показателей (прочности, коррозионной стойкости, водонепроницаемости, морозостойкости) цементных и автоклавных бетонов плотной и ячеистой структуры. Установлено [4, 5], что высокая химическая активность этих отходов, в частности, степень связывания СаО в течение 2,5 ч при t = 90 и 55°С составила 68...Э5 и 25...55%, предопределяя возможность получения на их основе бесцементных известь содержащих вяжущих, твердеющих в условиях пропаривания. Однако как при незначительных объемах отходов, так и при снижении крупнотоннажного характера строительного производства, эффективность использования их для получения бесцементных вяжущих и строительных материалов полностью теряется. Поэтому заслуживают внимания вулканические породы кислого и основного состава, которые обладают высокой химической активностью, а промышленные запасы исчисляются миллионами тонн [2-5]. Однако все исследования, как правило, носили поисковый характер, и практически отсутствуют систематические исследования по составу вяжущих композиций и использованию их при получении неавтоклавных строительных материалов.
Материалы и методы исследований. Известно, что качество силикатных материалов, и прежде всего их прочностные показатели, зависит от объема, фазового и морфологического состава синтезируемых новообразований,
обеспечивающих омоноличивание непрореагиру-емых частиц кремнезолистой составляющей исходной сырьевой шихты. При этом интенсивность процессов структурообразования лимитируется растворимостью кремнеземистого компонента, которая определяет интенсивность процессов заро-дышеобразования и роста кристаллов новой фазы.
Исследования показывают возможность значительного повышения химической активности и растворимости кремнеземистого компонента в силикатных композициях гидротермального омоноличивания за счет использования добавок тонко диспергированного песка, тонкомолотых природных и техногенных стекол, отходов с высокодисперсной кремнеземистой составляющей и др.
Для случая кристаллизации из жидкой фазы А.Н. Колмогоровым [4-7] на основе методов теории вероятности предложена эмпирическая зависимость, которая с достаточной степенью точности может быть приложена к системе СаО - О2 - Н2О для определения объема новообразований, возникающих в теле силикатного бетона за определенный период гидротермальной обработки:
(
V т = V o
л
1 - e
(1)
где V т - объем новообразования, закристаллизовавшийся за определенный период, см3; Vo - первоначальный объем (межзерновая пустотность), см3; п - вероятность возникновения центров кристаллизации (зародышей новой фазы) в 1 см3 объема за время 1 сек., см^сек. -1; т - продолжительность процесса кристаллизации, сек.; с - линейная скорость роста кристаллов, см/сек.
Из выражения (1) следует, что объем синтезируемых новообразований при заданном времени обработки определяется вероятностью возникновения зародышей новой
фазы и линейной скоростью роста кристаллов новообразований.
Для определения вероятности зароды-шеобразования В.Б. Ратинов предложил зависимость
„ Ca ■ CK
n = KJ—K Co
(2)
где Са и Ск - соответственно концентрации в поровой жидкости анионов и катионов; Со - растворимость зародышей новой фазы.
Более известна другая обобщенная зависимость определения вероятности зародыше-образования [4, 5]:
KP
n = e
E
RT'
(З)
где Екр - минимальная энергия, необходимая для возникновения зародыша новой фазы
EKP =
16ï а От 3 (RT ■ lgS)2
(4)
Здесь а - удельная поверхностная энергия на границе раздела фаз, эрг/см2; О - молекулярный объем; Т- температура обработки, °С; ^Б - степень перенасыщения.
Из приведенных зависимостей следует, что вероятность возникновения зародышей новой фазы определяется концентрацией анионов и катионов реагирующих веществ в единице объема, температурой реакции, термодинамическими характеристиками зародыша новой фазы и растворимостью зародыша критических размеров.
Процесс зародышеобразования из формулы (4) значительно интенсифицируется при наличии границ раздела фаз, так как уменьшается разность межфазовой энергии. В этом случае потенциальный энергетический барьер, который необходимо преодолеть, значительно уменьшается, и тем значительнее, чем больше таких границ и чем ближе они по своим
кристаллографическим параметрам к материалу возникающих фаз.
Другим направлением интенсификации процессов структурообразования является повышение в растворе концентрации силикат-иона. Достигается это применением кремнеземистого компонента высокой химической активности - в частности, высококремнеземистых вулканических или техногенных стекол.
Определение химической активности подразумевает оценку энергетического состояния материала, характеризуемого величиной избыточной поверхностной и внутренней энергии.
Результаты исследований. Принимая во внимание тетраэдрическое расположение атома кислорода в ионах Б^4 и Б^2, близкое значение ионных радиусов кремния (I, 1А) и серы (I, ОА) и возможность изоморфного замещения в теле тетраэдров Би БгО~2 без изменения его микроструктуры [4-7], провели исследования, в результате которых установлено, что расход сульфата кальция должен назначаться с учетом дисперсности вулканической породы, расхода извести и температуры теплов-лажностной обработки [4, 5].
Содержание полуводного гипса определяется по формуле:
Г = 0,067С + Го (5)
или в пересчете на серный ангидрид:
БО3 = 0,027С + Б0, (6)
где Г - расход гипсового вяжущего, % по массе; БО3 -расход гипсового вяжущего в пересчете на серный ангидрит, % по массе; 0,067 - соотношение, характеризующее оптимальное количество полуводного гипса, %, приходящегося на 1% активного СаО; 0,027 - соотношение, характеризующее оптимальное количество серного ангидрида, %, приходящегося на 1% СаО; Го и Б0 -соответственно количество полуводного гипса или серного ангидрида, обеспечивающего максимальную степень гидролитической деструкции стекла перлитовой породы при заданной температуре и дисперсности последнего (табл. 1).
Значения Г и S
о о
Values of G and S
Таблица 1 Table 1
oo
Дисперсность перлита, см2/г Dispersity of perlite, cm2/g Значения Гои So при температуре обработки, С Values of Go and So at the temperature of treatment С
80 90 100
Го So Го So Го So
1000 4,7 1,9 4,4 1,8 4,0 1,6
3000 5,4 2,2 5,0 2,0 4,7 1,9
5000 6,0 2,4 5,6 2,3 5,3 2,2
Для всех исследованных вулканических пород оптимальными с точки зрения достижения максимальной прочности оказались следующие технологические параметры:
- содержание извести в пересчете на активный СаО, %, - 20...25;
- содержание полуводного гипса - модификации, %, - 5,5.6,2;
- температура тепловлажностной обработки, °С, - 95.100;
- продолжительность изотермической выдержки при указанной температуре, ч, - 8.10.
Искусственный силикатный камень, полученный на основе вышеуказанных вулканических пород и параметров, имел прочность после пропаривания 30...35МПа,
а после высушивания до постоянной массы -до 45 МПа.
С использованием установленных аналитических зависимостей получены рациональные составы вяжущих композиций на основе вулканических пеплов (табл. 2).
Применительно к указанным составам пепло-известково-гипсовых вяжущих (ПИГВ) изучено изменение прочностных показателей в зависимости от количества воды затво-рения (В / В-фактора). Установлено, что максимальные значения прочности при сжатии и изгибе достигаются при В / В = 0,32.0,34. Повышение или понижение В/В-отношения приводят к снижению прочностных показателей, особенно значений при изгибе.
Таблица 2
Рациональные составы вяжущих композиций на основе вулканического пепла
Table 2
Rational compositions of binder compositions based on volcanic ash
№ состава № of composition Состав вяжущего, % по массе Composition of binder, % by weights Удельная поверхность вулканического пепла, см2/г Specific surface of volcanic ash, cm2/g Сроки схватывания, мин. Terms of cementation, min. Нормальная густота, % Normal density, % Активность после про-паривания при 95°С, МПа Activity after steaming at 95°C, MPa
Известь нега-шенная (по СаО) Calcium lime Гипс полуводный / двуводн Gypsum semi-water/ two-water Вулканический пепел Volcanic ash Начало Beginning Конец End
1 14 5,2/5,6 Остальное The remaning 2800-3000 30-35 45-50 27 25
2 16 5,6/5,8 -II- 3500-4000 28-30 45-50 28 30
3 18 5,8/6,2 -II- 4500 25-30 40-45 30 35
С учетом полученных данных расчет-но-экспериментальным путем подобран рациональный состав керамзитобетона на основе ПИГВ, кг/м3 бетона:
- керамзитовый гравий насыпной плотностью.........................................450.500 кг / м3
- ПИГВ..............................260
- песок мелкий.................500
В качестве мелкого заполнителя также был опробован вулканический пепел естественной дисперсности.
Определена экспериментально величина оптимального В/ В-отношения для керамзито-бетонной смеси указанного состава подвижностью 2 см, которая составила 0,5.0,52.
С учетом относительно высокого водопогло-щения керамзитового гравия (13,8% по массе) сделано предположение о том, что достигаемые на основе ПИГВ высокие прочностные показатели ке-рамзитобетона (табл. 2) обусловлены эффектом «обоймы» (по И. А. Иванову) - создания на поверхности керамзитового заполнителя упрочненного
контактного слоя. Для проверки этого предположения было установлено истинное значение В / В-отношения в контактном слое, толщина которого, по данным электронно-микроскопического анализа, составила в среднем 80.100 мкм.
Содержание вяжущего в контактном слое 1 м3 бетона (С) устанавливалось из выражения
N = S-ô-p
' ci
(7)
где 3 - средняя толщинаконтактного слоя, мкм; 8 - суммарная поверхность керамзитового заполнителя, равная 800. 1000 м2/м3[4, 5]; рсш - плотность растворной части керамзитобетона - 1200. 1300 кг/м3.
Водопоглощение керамзитового заполнителя путем отсоса влаги из растворной смеси контактного слоя установлено экспериментально и составило в среднем 3,5%, или 15,7 л.
С учетом представленных данных установлено истинное значение В/В-отношения контактного слоя, которое составило 0,34.0,36, то есть лежит в области, близкой к оптимальной, с точки зрения прочностных показателей.
Для дополнительной проверки этого положения керамзитовый заполнитель выдерживался в воде в течение 7 мин. Водонасыще-ние его при этом составило 9,2%. После этого из него были изготовлены керамзитобетон-ные образцы, которые после тепловлажност-ной обработки имели прочность на сжатие 11,5 МПа, а через 28 сут. - 12,1 МПа. Однако, несмотря на возможность повышения прочностных показателей керамзитобетона, этот способ приготовления бетонной смеси не является приемлемым, так как приводит к повышению влажности изделий и продолжительности их просушивания до равновесной.
Это в целом отрицательно сказывается на теплотехнических показателях ограждающих конструкций.
Формирование на поверхности керамзитового заполнителя упрочненного контактного слоя, который не обладает повышенной адгезией в результате химического взаимодействия Са(ОН)2, и сульфат-иона со стеклофазой заполнителя, а также взаимное перекрытие полей контактных слоев, ввиду их развитости и относительно низкого расхода вяжущего, способствуют получению керамзитобетонных изделий с высокими строительно-эксплуатационными показателями (табл. 3).
Таблица 3
Строительно-эксплуатационные показатели керамзитобетонных изделий
Table 3
Construction and operational indicators of ceramsite concrete products
Вид вяжущего Type of binder Вид мелкого заполнителя Type of filler Проектная марка Design grade Расход вяжущего, кг / м3 Consumption of binder, kg/m3 Средняя плотность изделия, кг / м3 Average density of the product, кг / м3 Влажность после теплообра-ботки, % Humidity after heat treatment, % Предел прочности на сжатие, МПа Compressive strength, Mpa Модуль упругости, МПа Modulus of elasticity, MPa Морозостойкость, циклы Frost resistance, cycles
Цемент Cement М-400 Песок Sand 100 250 1300 12 7,5 1418 > 50
ПИГВ -II- 100 260 1320 11,5 9,8 1438 -II-
ПИГВ Вулканический пепел Volcanic ash 100 260 1250 13 10,4 1516 -II-
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что в процессе эксплуатации конструкций (изделий), в результате естественной карбонизации, происходит частичное разложение гидросиликатов кальция с образованием вторичного кальцита и геля поликремневой кислоты. Основность крем-некислородных анионов низкомолекулярной растворимости характеризует степень полимеризации кремнесодержащей части: для образцов из конструкций 2-годичной эксплуатации, например, она значительно выше, чем в конструкциях полугодовой эксплуатации. Это позволяет сделать заключение о продолжающихся химических реакциях между кремнеземистой составляющей вулканической породы и свободной Са(ОН)2, что приводит к увеличению объема гелевидной составляющей
Библиографический список
1. Комиссаренко, Борис Семенович. Керам-зитобетон для эффективных ограждающих конструкций: Дис. ...д-ра техн. наук: 05.23.05 -
CSH [3-5,7-9] и, как следствие, к упрочнению керамзитобетона. В частности, прочность кернов, отобранных из конструкций 2-годичной эксплуатации, в среднем на 15% выше, чем у конструкций полугодовой эксплуатации.
Выводы
Результаты исследований свидетельствуют о том, что образование на поверхности керамзитового заполнителя упрочненного контактного слоя в результате химического взаимодействия Са(ОН)2 и сульфат-иона со стеклофазой заполнителя, а также взаимное перекрытие полей контактных слоев, ввиду их развитости и относительно низкого расхода вяжущего материала, предполагаютсо-здание керамзитобетонных конструкций с высокими эксплуатационными показателями.
References
1. Komissarenko, Boris Semenovich. Кегашг11оЬе1оп dly effektivnyh ograzhdayushchih konstruktsij: dissertatsiya na soiskanie uchenoj
Строительные материалы и изделия. - Самара, 2000. - 317 с.
2. Интенсификация структурообразова-ния бетонов автоклавного твердения / И.В. Удачкин Ю.Д. Кациевский, П.И. Захарченко и др. // Строительные материалы. - 1984. - № 1.
3. Грозав В.И. Строительные материалы из технологических отходов // Сельскохозяйственное строительство. - 1986. - № 2.
4. Жуков В.Д., Гаврилина Н.А., Никитин И.А. Разработка рецептур и режимов тепловой обработки теплоизоляционных плитных изделий из перлита // Сборник трудов. № 25. - М.: РосНИИНС, 1962.
5. Власов В.В. Безавтоклавные изделия на перлито-известково-гипсовом вяжущем: Дис. . канд.техн. наук. - М., 1983.
6. Виноградов Б.Н. Взаимодействие вспученного перлита с вяжущими веществами при твердении легких бетонов // Строительные материалы. - 1967. - № 7.
7. Корниенко П.А., Прозоровский А.Г., Сабодаш П.Ф. Об учете массовых сил в расчетах плоско-параллельного слоя бетонной смеси на наклонном грунтовом массиве // Материалы научно-технической конференции. -М.: МГУП, 2000. - С. 93-94.
8. Борделяну Г.В. Экспериментально-статистические исследования деформаций ползучести заводского бетона с построением математических моделей второго порядка для их влияния прогнозирования: Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Кишинев, 1974. - 23 с.
9. Ограждающие конструкции на основе каркасного керамзитобетона для производственных зданий. Структурообразование, технология, расчет и конструирование / Ю.М. Баженов, В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина и др. - М.: Изд-во АСВ, 2005. - 200 с.
Критерии авторства
Жарницкий В.Я., Корниенко П.А., Смирнов А.П. выполнили теоретические исследования, на основании которых провели обобщение и написали рукопись. Жарницкий В.Я., Корниенко П.А., Смирнов А.П. имеют на статью авторское право и несут ответственность за плагиат. Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов Статья поступила в редакцию: 25.12.2021 г. Одобрена после рецензирования 21.01.2022 г. Принята к публикации 14.02.2022 г.
stepeni doktora tehnichekih nauk: Building materials and products. (05.23.05). - Samara: 2000. -317 s.
2. Intensifikatsiya strukturoobrazovaniya be-tonov avtoklavnogo tverdeniya / Udachkin I.V., Katievsky YU. D., Zakharchenko P.I. i dr. // Stro-itelnye materialy. - 1984. - № 1.
3. Grozav V.I. Stroitelnye materialy. Iz te-hnologicheskih othodov // Selskohozyajstvennoe stroitelstvo. - 1986. - № 2.
4. Zhukov V.D., Gavrilina N.A., Nikitin I.A. Razrabotka retseptur i rezhimov teplo-voj obrabotki teploizolyatsionnyh plitnyh izdelij iz perlita. Sb. trudov № 25, RosNIINS. - M.: Po-cHHHHC, 1962.
5. Vlasov V.V. Bezavtoklavnye izdeliya na per-lito-izvestkovo-gipsovom vyazhushchem. Dis-sertatsiya na soiskanie uchenoj stepeni k.t.n. -M.: 1983.
6. Vinogradov B.N. Vzaimodejstvie vspuchen-nogo perlite s vyazhushchimi veshchestvami pri tverdenii legkih betonov // Stroitelnye materialy. - 1967. - № 7.
7. ^rnienko P.A., Prozorovskij А.G., Sa-bodash P.F. Ob uchete massovyh sil v rasche-tah plosko - parallelnogo sloya betonnoj smesi na naklonnom gruntovom massive. Mat-ly nauch-no-tehn. konf. - M.: MGUP, 2000. - S. 93-94.
8. Bordelyanu G.V. Experimentalno-sta-tisticheskie issledovaniya deormatsj polzuchesti zavodskogo betona s postroeniem matematiches-kih modelij vtorogo poryadka dlya ih vliyaniya prognozirovaniya. Avtoreferat dis. na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. (05.23.01) / Kishinev. politehn. in-t im. S. Lazo. -Kishinev: 1974. - 23 s.
9. Ograzhdayushchie konstruktsii na osnove karkasnogo keramzitobetona dlya proizvodstven-nyh zdanij. Strukturoobrazovanie, tehnologiya, raschet i konstruirovanie / Bazhenov Yu.M., Erofeev V.T., Mitina E.A. i dr. - M.: izd-vo ASV, 2005. - 200 s.
Criteria of authorship
Zharnitskiy V.Ya., Kornienko P.A., Smirnov A.P. carried out theoretical studies, on the basis of which they generalized and wrote the manuscript. Zharnitskiy V.Ya., Kornienko P.A., Smirnov A.P. have a copyright on the article and are responsible for plagiarism. Conflict of interests
The authors state that there are no conflicts of interests The article was submitted to the editorial office 25.12.2021 Approved after reviewing 21.01.2022 Accepted for publication 14.02.2022
