CC BY
19УДК 691.33
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСКЛИНКЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ
19 19 1
Муртазаев С-А.Ю.12, Саламанова М.Ш.12, Нахаев М.Р.1
'ФГБОУ ВО Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова 364051, Грозный, проспект Исаева, д. 100, [email protected] 2ФГБУН Комплексный научно-исследовательский институт им. Х.И. Ибрагимова Российской академии наук 364051, Грозный, Старопромысловское шоссе, д. 21, [email protected]
Аннотация Специалистов строительной отрасли давно волнует проблема перехода на бесклинкерные вяжущие и строительные композиты с их применением для замены ресурсо- энергоемкого цемента хотя бы в тех областях строительства, где не нужны его высокие технические функциональные свойства. Поэтому разработка рецептур, исследование структуры и свойств мелкозернистых бетонов с использованием вяжущих щелочной активации на основе высокодисперсных минеральных компонентов является перспективной и актуальной задачей.
Ключевые слова: бесклинкерные вяжущие, щелочная активация, структура, мелкозернистый бетон, кварцевый песок, отходы камнедробления песчаника, отходы камнедробления известняка, вулканический туф, окремненный мергель.
ВВЕДЕНИЕ
На протяжении многих лет портландцемент занимает лидирующее положение в строительной индустрии, и уровень производства этого вяжущего стремительно растет, в России до 2020 года планируется поднять этот уровень до 92 млн. т в год [1]. Но необходимо учитывать, что это производство является достаточно ресурсо- и энергоемким. На выпуск 1 тонны портландцемента необходимо израсходовать приблизительно 1,8 тонны природного сырья, при этом для обжига портландцементного клинкера тратится 185 кг условного топлива и 115 кВт ч/т электроэнергии. Карбонатная технология наносит огромный вред окружающей среде, так как основным компонентом сырьевой смеси является карбонатная порода, обжиг которой сопровождается выделением в атмосферу приблизительно 450 кг диоксида углерода. А если учитывать долю производимого клинкера (87,2 %) в объеме произведенного портландцемента, то выбросы углекислоты примерно составят 26 млн. тонн в год, а это уже серьезная экологическая проблема [2].
Анализируя выше приведенные факты большинство исследователей подумает, что в близлежащее будущее необходимо разработать более эффективное недорогое и экологически безвредное вяжущее со значительно меньшими энерго- и ресурсозатратами на его производство.
Конечно, предлагаемые разработки не смогут полностью удовлетворять требованиям и потребностям, предъявляемым к вяжущим для производства высоконагруженных зданий и сооружений, но они смогут заменить портландцемент в конструкциях с прочностью на сжатие до 60 МПа. Поэтому тенденция, направленная на частичную или полную замену дорогого портландцемента будет открывать новые технологии в совершенствовании строительного материаловедения, а разработка составов, исследование структуры и свойств мелкозернистых бетонов с использованием бесклинкерных вяжущих щелочной активации на основе высокодисперсных минеральных порошков является перспективным направлением в технологии бетонов [3, 4].
АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ
Использование высокодисперсных минеральных порошков для наполнения матрицы, где вяжущим является силикатнатриевое связующее в комплексе с щелочным затворителем, способствует созданию эффективных композитных материалов с определенными характеристиками. Очень редко, когда минеральный наполнитель выполняет функцию заполнения порового объема композиции, для получения пространственной структуры бетона. Как правило, в исследованиях, особое внимание уделено влиянию наполнителей на прочностные свойства композиционных материалов.
Использование минеральных порошков в качестве составляющих бесклинкерных вяжущих способствует повышению прочностных показателей и снижению стоимости бетона; в зависимости от природы применяемых порошков, есть возможность регулировать эксплуатационные свойства. Учитывая последний аспект, можно утверждать, что минеральные добавки выбирают в зависимости от области эксплуатации данных композиций: для композитов, работающих в кислой среде, необходимо использовать кислотоупорный наполнитель; для производства бетонов, работающих в условиях высоких температур соответственно использовать жаростойкие добавки; для создания композиций теплотехнического назначения, рекомендуется использовать порошки, обладающие комплексом адсорбционных и десорбционных свойств, т.е. способные участвовать в процессах порообразования [5].
Горные территории Чеченской Республики обладают огромным природным потенциалом для развития бесклинкерного производства с использованием высокодисперсных порошков, так как запасы различных разновидностей мергелей, известняков, доломитов, крупные месторождения строительных и стекольных песков, известняка -ракушечника, песчаников, большие залежи гипсового камня все это является ресурсом для получения эффективной продукции [6, 7].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель исследования разработка рецептур бесклинкерных вяжущих щелочной активации, на основе местных высокодисперсных минеральных наполнителей и получение свойств мелкозернистых бетонов на их основе. с использованием бесклинкерных вяжущих щелочной активации. В соответствии с поставленной целью исследования решались следующие задачи: приготовление высокодисперсных минеральных порошков из сырьевых материалов Чеченской Республики; изучение энергодисперсионного микроанализа исследуемых порошков; исследование количества бренстедовских активных центров кристаллизации на поверхности минеральных порошков; разработка составов вяжущих щелочной активации на основе местных высокодисперсных минеральных порошков; получение рецептур мелкозернистых бетонов на основе исследуемых вяжущих; изучение структуры и свойств полученных мелкозернистых бетонов.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
В представленной работе приводятся результаты исследований по изучению структуры и свойств мелкозернистых бетонов с использованием бесклинкерных вяжущих щелочной активации. Были получены составы вяжущих щелочной активации на основе местных высокодисперсных минеральных порошков. Для проведения исследований были использованы приготовленные минеральные порошки из горных пород различного происхождения: кварцевый песок, отходы камнедробления песчаника, отходы камнедробления известняка, вулканический туф, окремненный мергель.
Энергодисперсионный микроанализ исследуемых порошков, выполненный с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 3D 200 i с интегрированной системой микроанализа Genesis Apex 2 EDS от EDAX (рис. 1) показал существенное различие в химическом составе природных добавок. Вулканический туф и кварцевый песок отличаются более высоким содержанием кремнезема, окремненный мергель характеризуется более равномерным содержанием кремнезема и оксида кальция, в песчанике и известняке преобладает оксид кальция. Полученный химический анализ позволит нам, в какой -то мере прогнозировать свойства предлагаемых мелкозернистых бетонов на основе исследуемых порошков щелочной активации.
Размолоспособность порошков и зависимость активности от удельной поверхности определялись на, отсеянных на стандартных ситах, навесках исследуемых минеральных добавок фракции 0,14-0,315 мм. Навески минеральных добавок из кусковых горных пород предварительно пропускались через щековую дробилку, а затем размалывались в роликовой мельнице в течение 1 часа. Измельченный окремненный мергель обжигался при температуре 700 0С, после тепловой обработки повторно домалывали для активации поверхности. Через определённое время из мельницы отбиралась проба для определения активности и удельной поверхности порошка (при помощи прибора ПСХ-12 и лазерного анализатора частиц) [6, 8].
а)
д)
Рис. 1. Энергодисперсионный микроанализ минеральных порошков: а) термоактивированный мергель при температуре 700 0С; б) вулканический туф; в) кварцевый песок; г) песчаник; д) известняк
Результаты исследований по определению удельной поверхности полученных высокодисперсных порошков отображены на рисунке 2 и в таблице 1.
0
1000 900 800 700 600
Известняк Мергель
Рис. 2. Зависимость величины удельной поверхности минеральных наполнителей от продолжительности помола
Наиболее эффективной из исследуемых добавок оказалась размолоспособность известняка и окремненного мергеля, это связано наличием в минералогическом составе этих горных пород такого мягкого минерала, как кальцит.
На следующем этапе было исследовано количество бренстедовских активных центров кристаллизации на поверхности минерального порошка по методике [9] определения обменной емкости по отношению к ионам кальция.
В таблице 1 приведены результаты испытаний на определение количества активных центров кристаллизации. Поверхностная концентрация ионообменных центров минеральных порошков изменяется неравномерно и не зависит от степени измельчения.
Следует отметить, что наибольшую активность проявляют минеральные добавки на основе вулканического туфа и окремненного мергеля, обожженного при температуре 700 0С. Это можно объяснить наличием на поверхности указанных минеральных тонкодисперсных добавок большого количества обменных центров, значительную часть которых составляют кислоты и основания по Бренстеду [6].
Таблица 1.
Активность поверхности минеральных порошков
№ п/п Материал минерального порошка Коэффициент активности Ка, % Коэффициент гидравлической активности Гамд Количество активных центров кристаллизации, мгэкв/г Удельная поверхность порошков, м2/кг
1 Кварцевый песок 22 1,76 21 740
2 Вулканический туф 37 1,90 34 860
3 Песчаник 12 1,57 11 810
4 Известняк 8 1,24 12 970
5 Обожжённый мергель (700 0С) 62 2,03 42 990
Таким образом, анализируя полученные результаты, можно констатировать, что коэффициенты активности, включая количество активных центров кристаллизации, в значительной мере зависят от степени раскрытия дефектов, образующихся при их измельчении, в комплексе все это способствует к увеличению реакционной способности минеральных добавок, применяемых в бетонах в качестве тонкоизмельченных наполнителей.
После подтверждения реакционной активности предлагаемых порошков, разрабатывались рецептуры вяжущих щелочной активации (таблица 2), в состав которых входили: исследованные ранее порошки, кремнефтористый натрий, жидкое стекло натриевое с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,24 г/см3, гидроксид натрия
Таблица 2
Рецептуры вяжущих щелочной активации
№ состава Компоненты вяжущих щелочной активации, %
Кварцевый порошок Термо-обработанный мергель 700 0С Вулканический туф Песчаник Известняковая мука т О с/5 сч 03 £ №ОИ Й с/5 сч 03 £
1 80 - - - - 12 1,0 7,0
2 - 80 - - - 12 1,1 6,9
3 - - 80 - - 14 1,0 5,0
4 - - - 80 - 11 1,1 7,9
5 - - - 80 10 0,6 9,4
Для исследования свойств мелкозернистых бетонов были приготовлены образцы кубы размером 10 см с использованием смеси: высокодисперсный компонент (табл. 2), песок фракционированный, полученный смешиванием в соотношении 55:45 % отсева дробления горных пород Аргунского месторождения и мелкого песка Червленского месторождения. Затворение производили жидким стеклом, гидроксидом натрия и ускорителем выпадения геля кремниевой кислоты кремнефтористым натрием в заданных соотношениях.
Приготовленные образцы твердели в нормальных условиях при температуре 20±2°С, но через 2 суток образцы - помещалась в сушильный шкаф при температуре 40-50 0С на несколько дней. Результаты испытаний исследуемых мелкозернистых бетонов на основе вяжущих щелочной активации приведены в таблице 3.
Разработанные составы мелкозернистых бетонов с использованием вяжущих щелочной активации на основе высокодисперсных компонентов показали довольно высокие результаты прочности у образцов с применением порошков из термоактивированного мергеля и вулканического туфа, при этом с повышение температуры благоприятно сказывается на показателях прочности.
Объяснению этому служит то, что окремненный мергель содержит значительное содержание глинистых и песчаных примесей, а после термоактивации при температуре 600—800° С увеличивается активность за счет того, что каолинит (А120з • 2SiO2 • 2Н2О) — обезвоживается и переходит в активный каолинитовый ангидрид — метакаолинит (А1203 • 2Si02), аморфизованный в результате удаления гидратной воды. Высокоактивный метакаолин вступает в химическое взаимодействие с КаОИ и №28Ю3, в результате чего в щелочной среде возникают соединения алюмосиликатных компонентов с появлением алюминатных и полимерных силикатных анионов, из которых в дальнейшем формируются связи 8ьО-Л1-О-81 и образуется алюмосиликатный гидрогель [2, 6, 7].
Таблица 3
Свойства мелкозернистых бетонов на основе вяжущих щелочной активации
№ состава Расход материалов кг на 1 м3 Плотность бетона, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа в возрасте сут.
Высоко дисперсные порошки Фракционированный песок 3 О ¿75 (N Kl ъ NaOH ¿75 (N Л Na 7 28
1 520 1700 15 1,3 8,7 2240 12,3 26,2
2 520 1700 15 1,3 8,7 2250 32,1 46,5
3 520 1700 15 1,3 8,7 2246 27,6 40,1
4 520 1700 15 1,3 8,7 2235 6,5 17,4
5 520 1700 15 1,3 8,7 2241 10,4 22,9
Образцы мелкозернистого бетона с применением высокодисперсного порошкатермоактивированного мергеля показали наиболее лучшие результаты, поэтому именно эти образцы бетона были исследованы на растровом электронном микроскопе Quanta 3D 200 i с интегрированной системой микроанализа Genesis Apex 2 EDS от EDAX (рис. 3).
Рис. 3. Микрофотографии бетона на термоактивированном мергеле щелочной активации
Было выявлено, что в контактной зоне наблюдается достаточно прочное срастание частичек вяжущего и кварцевого песка, поверхность не содержит дефектов в виде наростов или трещин, имеются неровности различной формы и размеров, а у отдельных частиц установлена игольчато-
волокнистая, стекловидная структура (рисунок 3), что свидетельствует о повышенной активности вяжущего.
ВЫВОДЫ
1. Получены высокодисперсные минеральные порошки из горных пород Чеченской Республики различного происхождения: кварцевый песок, отходы камнедробления песчаника, отходы камнедробления известняка, вулканический туф, окремненный мергель.
2. Изучен энергодисперсионный микроанализ исследуемых порошков, подтверждающий наличие необходимых химических элементов в составе минеральных добавок.
3. Определено количество бренстедовских активных центров кристаллизации на поверхности минеральных порошков, которые способствуют ускорению процесса синтеза геля кремниевой кислоты, интенсифицируют полимеризацию кремнекислородных анионов, усиливают реакции ионного обмена и стабилизируют межзерновое контактообразование.
4. Разработаны составов бесклинкерные вяжущие щелочной активации на основе местных высокодисперсных минеральных порошков.
5. Получение рецептуры мелкозернистых бетонов, на основе исследуемых вяжущих.
6. Изучена структура и свойства полученных мелкозернистых бетонов, наиболее эффективными можно считать бетоны на основе минеральных порошков из термоактивированного окремненного мергеля и вулканического туфа.
Таким образом, полученные результаты исследований дают возможность надеяться на широкомасштабное внедрение мелкозернистых бетонов с использованием бесклинкерных вяжущих в ближайшем будущем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глуховский, B^. Щелочные и щелочно-щелочноземельные гидравлические вяжущие и бетоны [Текст] / B^. Глуховский. - К.: Bища школа, 1979. - 232 с.
2. Глуховский, B^. Шлакощелочные цементы и бетоны [Текст] / B^. Глуховский,
B.A. Пахомов. - К.: Будивельник. - 197S.- 184 с.
3. Кривенко, П^. Долговечность шлакощелочного бетона [Текст] / П^. Кривенко, К.К. Пушкарева. - К.: Будивельник. 1993.- 224 с.
4. Davidovitz, J. Geopolymer. Chemistry and applications / J. Davidovitz // Saint-Quentin: Institute Geopolymer. - 200S. - 592 pp.
5. Duxson, P. Geopolymer technology: The current state of the art // P. Duxson, A. Fernandez, J. Provis / J. Mater. Sci. - 2007.- V. 42. - P.2917-2933.
6. Муртазаев, C-А.Ю. Bлияние активных центров поверхности на реакционную способность минеральных добавок [Текст] / C-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Cаламанова, M.C. Cайдумов // Научный журнал «Современная наука и инновации» Ставрополь - Пятигорск). - 2017. -№ 2 (1S). - C. Ш-175.
7. Муртазаев, C-А.Ю. Bысококачественные модифицированные бетоны с использованием вяжущего на основе реакционно-активного минерального компонента [Текст] / C-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Cаламанова, Р.Г. Бисултанов, ТС-А. Муртазаева // ^рош^льные материалы. - 201б.- № S.-
C. 74-S0.
S. Муртазаев, C-А.Ю. Bяжущие щелочной активации как альтернатива портландцементу [Текст] / C-А.Ю. Муртазаев, М.Ш. Cаламанова, А.Х. Аласханов // Инновации в строительстве 2017: международная научно-практическая конференция. C6. науч. тр. - Брянск. 20-22 ноября 2017. - C. 92-97.
9. ^рокова, B. B. Экспресс-метод определения активности кремнеземного сырья для получения, гранулированного наноструктурирующего заполнителя [Текст] / B.B. ^рокова, И^. Жерновский, А^. Максаков // Огроительные материалы. - 2013. - № 1. - C. 38-39.
Экономнка cipoHTeTbCTBa h npup0g0n0Tb30BaHHH № 2 (67) 2018 r.
FORMATION OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF SMALL-CONSERVATIVE CONCRETE BY USING CEMENTLESS BINDERS
Murtazaev S-A.Y.12, Salamanova M.Sh.12, Nahaev M R.1
'M.D. Millionshtchikov Grozny State Oil Technical University, Grozny 2Comprehensive Research Institute named after H.I. Ibragimov Russian Academy of Sciences, Grozny
Annotation. The specialists of the construction industry have long been concerned with the problem of switching to curl knitting binders and building composites with their use to replace resource-intensive cement in at least those areas of construction where its high technical functional properties are not needed. Therefore, the development of formulations, the study of the structure and properties of fine-grained concretes using astringent alkaline activation based on highly disperse mineral components is a promising and urgent task.
Keywords: besklinkernye astringents, alkaline activation, structure, fine-grained concrete, quartz sand, sandstone stone waste, stone limestone waste, volcanic tuff, siliceous marl
