CC BY
11Левашов Н. Ф., Акулова М. В., Потёмкина О. В.
использование ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВИДА ЗАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА ПЕНОБЕТОНА
С помощью метода термогравиметрического анализа было установлено, что состав пенобетона, основанный на использовании комплекса термостойких материалов, включающих бой стекла и жидкое стекло, превосходит по своим эксплуатационным показателям существующие аналоги; добавка шамотной глины снижает скорость разложения цементного камня при высокотемпературном воздействии, а добавка жидкого стекла повышает его огнестойкие свойства.
Ключевые слова: пенобетон, натриевое жидкое стекло, стеклобой, шамот, термогравиметрический анализ.
В настоящее время актуальной является проблема разработки новых конструкционных материалов и изделий теплозащитного и огнестойкого назначения, которые могли бы использоваться в качестве огнезащитных преград, а также разработка и усовершенствование методов анализа их поведения в условиях высокотемпературных воздействий. Решение проблемы повышения термостойкости бетона и растворов представляется возможным путём введения натриевого жидкого стекла как одного из составляющих композиционного вяжущего [1]. При этом механизм взаимодействия и влияния силиката натрия на свойства и структуру цементных композитов до конца не изучен. Для решения этого вопроса предлагается использовать методы термогравиметрического и дифференциально-термогравиметрического анализа, которые позволят исследовать поведение жидкостекольных композиций при высоких температурах.
Целью данной работы является исследование влияния добавки жидкого стекла на структуру пенобетонного камня различного состава повышенной теплостойкости.
В работе были использованы следующие материалы:
1) цемент марки М500-Д0 производства «Мордовцемент» по ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия» и ГОСТ 30515-97 «Цементы. Общие технические условия для приготовления бетона»;
2) песок по ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» использовался в качестве мелкого заполнителя (свойства песка определены согласно ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытания»);
3) дистиллированная вода городской водопроводной сети по ГОСТ 6709-72* «Вода дистиллированная. Технические условия» для затворения бетонной смеси;
4) пенообразователь ПБ-2000 производства «Ивхимпром» (по ТУ 2481-18505744685-01);
5) натриевое жидкое стекло плотностью 1,4 г/см3 с силикатным модулем 2,8-3,0;
6) бой листового стекла крупностью не более 0,63 мм;
7) шамот марки НВО плотностью 1 950 кг/м3, открытой пористостью 2731 %, температурой применения 1 200 °С, коэффициентом теплового расширения 5,0-5,3-10-6, прочностью на сжатие (в холодном состоянии) > 15 МПа.
Для анализа влияния состава и вида заполнителя на теплофизические свойства при высокотемпературном нагреве были изготовлены составы сырьевых композиций для получения цементного камня и различных видов пенобетона:
1) цемент, вода;
2) цемент, песок, вода, пенообразователь;
3) цемент, песок, вода, пенообразователь, жидкое стекло;
4) цемент, песок, вода, пенообразователь, бой стекла;
5) цемент, песок, вода, пенообразователь, жидкое стекло, бой стекла;
6) цемент, песок, вода, жидкое стекло, шамот;
7) цемент, песок, вода, пенообразователь, жидкое стекло, шамот [5].
Для термогравиметрического (ТГ) анализа образцов [2-5] использовался термоанализатор 8БТЛНЛМ ТСЛ 92-24. Исследование проводилось на пробах, измельчённых до размеров частиц 0,8 мм. Термограммы расшифровывались с помощью источника [6] и других работ. Температура максимального развития реакции определялась по кривой ТГ в точке перелома кривой. По величине площадей и пиков выявлялась степень интенсивности физико-химических процессов. Гидрата-ционная активность цемента оценивалась по количеству химически связанной воды. При расчете степени гидратации алита (С3Э) за основу принималась интенсивность эндотермического пика, соответствующая разложению Са(ОН)2.
Нагрев образцов исследуемых материалов осуществлялся в интервале температур от комнатной до 1 000 °С, скорость нагрева составляла 10 °С/мин. Результаты опытов представлены на термограммах (рис. 1).
Анализ полученных термограмм исследуемых образцов позволил выявить следующие закономерности: кривые ТГ характеризуются тремя эндотермическими пиками, из которых последний имеет сложную форму за счёт частичного перекрывания эффектов, а также одним незначительным экзоэффектом. Рассмотрим каждый пик термограмм.
На термограммах всех кривых первый эндоэффект наблюдается при температуре 70-200 °С. Широкая эндотермическая впадина связана с испарением свободной и физически связанной воды [7]. Чем больше потеря массы при испарении физиче-
ски связанной воды, тем крупнее поры в цементном камне, ниже его прочность и термостойкость. Следовательно, с этих позиций лучшим образцом будет считаться тот, что потерял меньше физически связанной влаги, то есть образец пенобетона с добавлением боя стекла и образец с совместным добавлением жидкого стекла и боя стекла. Второй эндотермический эффект, отмеченный при температуре 454540 °С, характерен для процесса дегидратации гидроксида кальция Са(ОН)2, возникшего при гидратации фазы С3Э, и удаления химически связанной воды. Чем выше потеря массы при дегидратации фазы С8И(1) и С8И(11), тем больше эта фаза в цементном камне. Известно, что С8И(1) придаёт цементному камню прочность (при сжатии), а С8И(11), имея развитую волокнистую структуру, обеспечивает лучший контакт между твёрдыми частицами непрореаги-ровавшего клинкера и новообразованиями (что повышает прочность при изгибе). Следовательно, большая потеря массы
Tg, %
Dtg
о 8
: 10
1 ^185 60 \feis 354 1
32 3,5 4
4994 498 506,9
52 545 95
800
V
95 ^974 4Г9' 96$ 1 ,7
0,15 0,1 0,05 0
-0,05 -0,1 -0,15 0,2 -0,25
0,3 -0,35 -0,4 0,45 0,5 -0,55
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Изменение температуры, °С
Рисунок 1. Термогравиметрический (термовесовой) анализ:
1 - цемент, песок, вода, пенообразователь;
2 - цемент, песок, вода, пенообразователь, жидкое стекло; 3 - цемент, песок, вода,
пенообразователь, бой стекла; 4 - цемент, песок, вода, пенообразователь, жидкое стекло, бой стекла, вода; 5 - вода, цемент; 6 - цемент, песок, вода, жидкое стекло, шамот; 7 - цемент, песок, вода, жидкое стекло, шамот, пенообразователь
0
2
4
6
12
14
16
при дегидратации фазы СЭИ приводит к лучшему результату [6]. С этой позиции лучшими образцами можно назвать пенобетон с добавлением жидкого стекла и боя стекла, а также пенобетон с добавкой жидкого стекла и шамота. Третий пик имеет сложную форму за счёт частичного перекрывания эффектов и приходится на интервал от 560 до 750 °С. Этот период связан с дегидратацией высокоосновных гидросиликатов кальция и с возможным разложением хорошо закристаллизованного карбоната кальция, в основном, в виде кальцита (СаСО3), а также с проявлением других диффузных процессов. Наибольшая потеря массы при данной температуре была отмечена у образца с добавлением жидкого стекла и образца с добавлением боя стекла. Четвёртый температурный интервал приходится на диапазон температур от 750 до 890 °С. Изменение массы в данном интервале говорит о начале разложения оксидов и удалении гидратной воды из высокоосновных силикатов кальция. Изменение массы для всех цементных композиций в данном интервале практически одинаково, что показывает на основное удаление физически и химически связанной воды при более низких температурах.
По кривым полученных термограмм устанавливались температурные границы химических и физико-химических превращений и вычислялись данные количественного изменения содержания влаги в образцах, а также изменение массы и энергии.
Общее изменение массы вычислялось по формуле:
к-^пр)
т..
100%,
где тн - начальная масса образца, г; тпр -масса прокаленного образца, г.
Потерю влаги определяли по формуле:
К -щ)
1
I
л
т„
•100%,
1 2 3 4 5 6 7
№ образца
Рисунок 2. Изменение массы исследуемых образцов в термоанализаторе, %:
■ - 70-200/141; □ - 454-540/460; □ - 560-750/680; 0 - 750-890/860
1 - цемент, вода; 2 - цемент, песок, вода, ПО; 3 - цемент, песок, вода, ПО, ж/с; 4 - цемент, песок, вода, ПО, бой стекла; 5 - цемент, песок, вода, ПО, жидкое стекло, бой стекла; 6 - цемент, песок, вода, ж/с, шамот; 7 - цемент, песок, вода, ПО, ж/с, шамот
где тн - начальная масса образца, г; шх -масса образца при температуре 90-140 °С, г.
Количественный анализ изменения структуры пенобетонов при нагревании отражён на рисунке 2.
Представленные данные свидетельствуют о зависимости кинетических характеристик твердения цемента от добавки жидкого стекла и различных заполнителей: боя стекла, шамота, песка. Наилучший эффект выявлен при совместном применении жидкого стекла и боя стекла в составе пенобетона. Изменения в кинетике, положительно сказавшиеся на фазовых превращениях, обусловлены образованием более прочных химических связей, о чём свидетельствует, например, третий температурный эффект, характеризующийся более глубокими пиками, смещёнными в сторону более высоких температур. В результате анализа полученных термограмм было определено, что в порах пенобетонов различного состава находится большое количество физически связанной воды. Добавка шамота несколько снижает гигроскопичность материала вследствие его более плотной и гладкой структуры, а также снижает скорость разложения гидросиликатов кальция
8
7
6
о 5
4
3
2
1
0
разной основности, в том числе и портлан-тида. Пенобетон с добавлением шамота дольше всех сохраняет при нагреве в своей структуре воду, поэтому также увеличивает свою устойчивость при высокотемпературном воздействии. Добавка жидкого стекла увеличивает количество низкоосновных силикатов кальция за счёт связывания гидроксида кальция, чем сдвигает
процесс разложения цементного камня в сторону более высоких температур.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что метод термогравиметрического анализа является эффективным для исследования свойств и характера поведения новых материалов на основе цементных составов, созданных для защиты от высоких температур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федосов С. В., Малый И. А., Ветошкин А. А., Акулова М. В., Потёмкина О. В., Щепочкина Ю. А., Емелин В. Ю. Сырьевая смесь для получения пенобетона. Патент РФ на изобретение № 2471753 от 27.07.2011 г.
2. Коновалов П. Ф, Штейерт Н. П., Иванов-Городов А. Н, Волконский Б. В. Физико-механические и физико-химические исследования цемента. -Л.; М.: Госстройиздат, 1960. - 316 с.
3. Топор Н. Д., Огородова Л. П., Мельчако-ва Л. В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. - М.: МГУ, 1987. - 190 с.
4. Уэндландт У. Термические методы анализа / Пер. с англ. под ред. В. А. Степанова, В. А. Бер-штейна. - М.: Мир, 1978. - 526 с.
5. Шестак Я. Теория термического анализа. - М.: Мир, 1987. - 456 с.
6. Рамачадран В. С. Применение дифференциального термического анализа в химии цементов. - М.: Стройиздат, 1977. - 407 с.
7. Методы исследования цементного камня и бетона / Под ред. Э. М. Ларионовой. - М.: Стройиздат, 1970. - 156 с.
8. Кокурина Г. Л. Методы исследования строительных материалов (дериватография): Методические указания к выполнению лабораторных работ. - Иваново: ИГАСА, 1998. - 34 с.
9. Акулова М. В., Потёмкина О. В., Емелин В. Ю., Коллеров А. Н. Влияние жидкого стекла на термостойкость цементных композитов // Приволжский научный журнал. - 2013. - № 1. - С. 17-21.
Levashov N., Akulova M., Potemkina O.
USAGE OF THERMAL GRAVIMETRIC METHODS OF ANALYSIS TO INVESTIGATE THE EFFECT OF AGGREGATE TYPE ON THE FOAM CONCRETE PROPERTIES
ABSTRACT
Purpose. The article is devoted to phase composition determination and investigation of cement stone properties of the insulating material - foamed concrete based on liquid-glass compounds with broken glass and chamotte clay additives. The paper demonstrates the results of using thermogravimetric methods of analysis for determining a phase composition and investigating cement stone properties of the insulation material - foamed concrete based on liquid-glass compounds with broken glass and shamotte clay additives. This material is intended for protecting engineering facilities and technological equipment from high temperatures at fires and emergencies.
Methods. In the research the thermogravimetric method of inorganic compounds analysis is used.
Findings. Foamed concrete composition based on using heat-resistant materials complex (broken
and liquid glass) exceeds analogues in its operating indicators. Shamotte clay addition reduces the rate of hardened cement paste decomposition at high temperature exposure. Liquid glass addition increases its fire-resistant properties.
Research application field. The results of the research have practical significance for laboratory tests to monitor behavior of foamed concrete with different fillers when exposed to high temperature.
Conclusions. The termogravimetric method of analysis is effective for estimating the effect of cement composites filler types on their thermal-physical properties.
Key words: foamed concrete, soda glass, broken glass, fireclay, termogravimetric analysis.
REFERENCES
1. Fedosov S.V., Malyi I.A., Vetoshkin A.A., Akulova M.V., Potemkina O.V., Shchepochkina Yu.A., Emelin V.Yu. Raw mixture for foam concrete. The Russian Federation patent for the invention No. 2471753. (in Russ.).
2. Konovalov P.F., Shteiert N.P., Ivanov-Gorodov A.N., Volkonskii B.V. Fiziko-mekhanicheskie i fiziko-khimicheskie issledovaniia tsementa [Physico-mechanical and physico-chemical studies of cement]. Leningrad, Moscow, Gosstroiizdat Publ., 1960. 316 p.
3. Topor N.D., Ogorodova L.P., Melchakova L.V. Termicheskii analiz mineralov i neorganicheskikh soedinenii [Thermal analysis of minerals and inorganic compounds]. Moscow, MGU Publ., 1987. 190 p.
4. Wendlandt W.W. Thermal methods of analysis. New York, Wiley, 1964, 424 pp (Russ. ed.: Termicheskie metody analiza. Moscow, Mir Publ., 1978. 526 p.).
5. Shestak Ya. Teoriia termicheskogo analiza [Theory of thermal analysis]. Moscow, Mir, 1987. 456 p.
6. Ramachadran V.S. Primenenie differentsialnogo termicheskogo analiza vkhimii tsementov [Application of differential thermal analysis in cement chemistry]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1977. 407 p.
7. Metody issledovaniia tsementnogo kamnia i betona [Research methods of cement and concrete. Ed. by Larionova E.M.]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1970. 156 p.
8. Kokurina G.L. Metody issledovaniia stroitel'nykh materialov (derivatografiia): Metodicheskie ukazaniia k vypolneniiu laboratornykh rabot [Research methods for construction materials (derivatography): Methodical instructions to performance of laboratory works]. Ivanovo, IGASA Publ., 1998. 34 p.
9. Akulova M.V., Potemkina O.V., Emelin V.Yu., Kollerov A.N. Influence of the liquid glass at a temperature resistant cement composites. Privolzhskii nauchnyi zhurnal, 2013, no. 1, pp. 17-21. (in Russ.).
Nikita Levashov Marina Akulova Qlga Potemkina
Ivanovo Rescue and Firefighting Academy of EMERCOM of Russia, Ivanovo, Russia
Doctor of Engineering Science, Professor
Ivanovo State Polytechnical University, Ivanovo, Russia
Candidate of Chemical Sciences, Associated Professor
Ivanovo Rescue and Firefighting Academy of EMERCOM of Russia, Ivanovo, Russia
