CC BY
48
ВЕСТНИК 4/2016
строительное материаловедение
удк 691.5
А.Д. Жуков, М.О. Асаматдинов, Б.Ч. Нурымбетов*, Ш.Н. Туремуратов**
НИУМГСУ, *КГУ им. Бердаха,
**Каракалпакский научно-исследовательский институт естественных наук ККО АНРУз
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГИДРАТАЦИОННОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВ ИЗВЕСТКОВО-БЕЛИТОВЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ МЕРГЕЛЕЙ
Приведены результаты исследований кинетики гидратационных структур и физико-химические свойства известково-белитовых вяжущих (ИБВ) на основе мергелей месторождений Акбурлы и Порлытау. Установлено, что формирование прочности связано не только с формированием в системе разных типов структур — коагуляционной и кристаллизационной с переходом первой во вторую, но и различными стадиями формирования кристаллизационной структуры. Показана возможность применения ИБВ для приготовления высокопрочных изделий автоклавного твердения.
Ключевые слова: вяжущее, раствор, добавки, кремнезем, гидратационное структурообразование, обжиг
известково-белитовое вяжущее (иБв) получают низкотемпературным обжигом природных мергелей, мергелизованных или запесоченных известняков, а также искусственных известково-кремнеземистых смесей. вяжущее наряду с оксидом кальция содержит также значительные количества двухкальциевого силиката и некоторые другие минералы, состав и количество которых зависят от химического состава и температуры обжига используемого сырья. в составе ибв могут содержаться алюминаты, ферриты и алюмоферриты кальция, при высоких температурах обжига возможно присутствие трехкальциевого алюмината и даже трехкальциевого силиката. Сырьевые смеси для получения иБв готовят путем совместного помола известняков с кварцевым песком, трепелом или глинами. вяжущие автоклавного твердения, используемые в производстве известково-песчаных изделий, получают с применением смесей, состоящих из 60...70 % иБв и 40...30 % молотого кварцевого песка.
Процессы гидратации клинкерных и других минералов, входящих в состав вяжущих материалов, а также гидратационного структурообразования (ГС) в этих системах взаимосвязаны. вторые обычно являются следствием первых, поэтому их совместное рассмотрение представляет научный и практический интерес с точки зрения их роли в управлении свойствами вяжущих систем.
Сырьевым материалом для получения иБв в нашем случае служил природные мергели месторождений Акбурлы и Порлытау (республика каракал-пакстан).
Установлено [1, 2], что оптимальными режимами термообработки для получения ИБВ на основе изучаемых мергелей является температура в пределах 1000 °С с выдержкой 90 мин. При этих режимах образуется наибольшее количество свободного оксида кальция (50...60 %) и р-двухкальциевого силиката-белита (25...30 %) в продуктах термообработки, в малых количествах — алюминаты и ферриты кальция.
О кинетике ГС можно судить по изменению пластической прочности Рт системы, измеренной на консистометре гепплера. изучение процессов гС в концентрированных пастах иБв позволяет выявить роль природы гидратиру-ющейся фазы в кинетике формирования прочности и ее создания в возникающей пространственной структуре.
Характер кинетических изменений пластической прочности системы при водотвердом отношении В/Т = 0,90 (табл. 1) отличается от характера изменения прочности системы при В/Т = 1,0 и 1,2. Пластическая прочность сначала возрастает, затем, по истечении 3 сут выдержки системы, резко падает с последующим повторным резким ростом по истечении 14 сут. При других значениях В/Т также наблюдается резкий рост прочности системы через 14 сут.
Наличие перепадов (В/Т = 0,90) в значениях пластической прочности Рт связано, по-видимому, не только с формированием в системе разных типов структур — коагуляционной и кристаллизационной с переходом первой во вторую, но и различными стадиями формирования кристаллизационной структуры [3, 4].
Табл. 1. Кинетика структурообразования Р , МПа, в дисперсиях ИБВ в зависимости от водотвердого отношения
ИБВ на основе Изменение пластической прочности Рт после выдержки, сут
мергеля в/т 1 3 7 14 28 40
(месторождения)
Акбурлы 0,90 15,6 20,5 16,6 14,2 20,4 28,7
Акбурлы 1,00 13,2 13,4 14,5 14,5 18,3 23,4
Акбурлы 1,20 12,1 13,0 14,0 13,8 17,9 21,3
Порлытау 0,90 15,5 20,4 17,1 16,4 21,0 30,3
Порлытау 1,00 12,1 13,5 14,6 14,8 18,5 28,4
Порлытау 1,20 11,6 12,9 14,2 13,8 17,7 24,7
В процессе первых двух стадий образования кристаллизационной структуры, т.е. соответственно возникновения кристаллических зародышей гидросиликатов и увеличения их числа без срастания, а также формирования кристаллического сростка зародышей, происходит нарастание прочности системы, которая, достигая максимума при переходе к третьей стадии образования структуры формирования кристаллических контактов частиц, начинает ослабляться вследствие разрушения сростков и перекристаллизации контактов [5, 6]. Последующий резкий рост прочности системы после минимума обусловлен формированием кристаллических контактов, сообщающих системе достаточно высокие прочностные показатели. Эта область совпадает во времени с 14-суточной выдержкой системы, что имеет отношение ко всем вариантам В/Т [7, 8].
ВЕСТНИК
4/2016
о том, что минимальная экстремальная точка на 14-е сутки соответствует началу кристаллических контактов, свидетельствует тот факт, что рост прочности после 14-суточной выдержки носит резкий характер, так как прочностные параметры кристаллизационных структур, как правило, всегда имеют относительно более высокие показатели по сравнению с коагуляционными структурами, что обусловлено природой сил, определяющих контакты частиц в этих структурах [9, 10]. известно, что контакты частиц в первых (коагуляци-онных) структурах образуются за счет малопрочных ван-дер-ваальсовых сил межмолекулярного взаимодействия через тонкие прослойки дисперсионной среды и поэтому имеют относительно невысокие показатели [11, 12]. в кристаллизационных структурах контакты образуются за счет химических сил со значительно большей энергией связи, они возникают в процессе формирования новых фаз из метастабильных пересыщенных растворов, и эти структуры представляют собой структуры срастания, отличающиеся от коагуляционных на несколько порядков более высокой прочностью за счет образования фазовых срастаний.
Системы на основе продуктов термообработки мергеля из Акбурлинского месторождения при в/т = 0,90 в условиях влаго-воздушного хранения имеют максимальную прочность порядка 28,8 мПа, а из Порлытауского месторождения — 30,3 мПа после 40 сут выдержки.
в табл. 2 приведены результаты физических исследований дисперсии на основе иБв. из представленных данных видно, что водопотребность у иБв, полученных на основе изучаемых мергелей, больше, чем у портландцемента или гипса. Это связано с тем, что в составе иБв совместно с двухкальциевым силикатом (Р-С^) содержится в больших количествах также свободный оксид кальция Сао (58,24 и 50,30 %), который при гидратации с большой потребностью воды переходит в гидрат оксида кальция.
табл. 2. результаты физических исследований паст иБв
иБв на основе мергеля (месторождения) нормальная густота, % Сроки схватывания, мин удельная поверхность, см2/г
начало конец
акбурлы 90 48 131 3200
Порлытау 90 46 144 3500
в табл. 3 приведена зависимость механической прочности образцов иБв от продолжительности твердения. из данных таблицы видно, что как в условиях влаго-воздушного, так и термовлажного твердения механическая прочность образцов увеличивается во времени, наибольшее ее значение имеет место по истечении 28 сут.
Сопоставление величин прочностей показывает, что наибольшая разница в их значениях при сжатии наблюдается у иБв на основе мергеля Порлыта-уского месторождения, что указывает на относительно большее содержание силикатов, алюминатов и ферритов кальция в продуктах термообработки мергеля этого месторождения по сравнению с мергелем акбурлы.
Табл. 3. Результаты исследования механической прочности на сжатие образцов ИБВ во влаговоздушном и термовлажном твердении
ИБВ на основе мергеля (месторождение) Прочность при сжатии, МПа
в/т влаго-воздушное твердение, сут термовлажное твердение, сут
3 7 28 3 7 28
Акбурлы 0,90 0,98 2,83 7,35 4,05 6,40 14,26
Порлытау 0,90 1,86 4,77 9,41 4,30 7,81 14,53
Первоначальная прочность ИБВ обеспечивается гидратацией свободной извести и белита с образованием соответствующих гидратов. Дальнейшее очень медленное нарастание прочности (в нормальных условиях) обусловлено в основном процессами карбонизации несвязанного гидроксида кальция. Поэтому с увеличением содержания активной формы Si02 можно до известных пределов не только интенсифицировать процессы твердения, но и получить значительно большую прочность затвердевшего продукта.
Рентгенограмма гидратированного в течение 28 сут ИБВ характеризуется присутствием более интенсивных линий гиллебрандита (0,302; 0,271; 0,260 нм), портландита (0,486 и 0,192 нм), гидросиликата кальция типа С^-Н(П) (0,306 нм), а также менее интенсивных линий тоберморита 5СаО х 6Si02 х 5Н20 (0,251 и 0,248 нм). Линии 0,326, 0,205 нм и 0,186, 0,179 нм относятся, соответственно, к гидроалюминату и гидроферриту кальция. Активность, температура и время гашения ИБВ приведены в табл. 4.
Табл. 4. Активность, температура и время гашения ИБВ
ИБв на основе мергеля (месторождение) Температура гашения, °С Время гашения, мин Активность, %
Акбурлы 44 14 71,89
Порлытау 43 15 70,30
на основе данных табл. 4 можно предполагать, что ИБВ можно применять в производстве высокопрочных силикатных изделий автоклавного твердения (ячеистый бетон, блоки и др.), так как вышеуказанные свойства ИБВ соответствуют требованиям, предъявляемым к этому типу изделий.
Таким образом, процессы ГС в дисперсиях ИБВ, полученные на основе мергелей Акбурлинского и Порлытауского месторождений, характеризуются не только формированием в системе разных типов структур — коагуляцион-ной и кристаллизационной — с переходом первой во вторую, но и различными стадиями формирования кристаллизационной структуры. На основании исследований физико-химических и физико-механических свойств рассмотренных ИБВ можно сделать вывод, что они представляют собой эффективный вяжущий материал для приготовления высокопрочных изделий автоклавного твердения.
ВЕСТНИК 4/2Q16
Библиографический список
1. Туремуратов Ш.Н., Нурымбетов Б.Ч., Адылов Д.К. Синтез и исследования из-вестково-белитового вяжущего на основе мергеля Акбурлинского месторождения // Наука и образование Южного Казахстана. 2000. № 11. С. 223—225.
2. Коровяков В.Ф. Перспективы применения водостойких гипсовых вяжущих в современном строительстве // Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий : материалы Всеросс. семинара. М. : РААСН, 2002. С. 51—56.
3. Нурымбетов Б.Ч., Адылов Д.К., Туремуратов Ш.Н. Регулирование активности известково-белитового вяжущего с добавкой растворимого гипса // Вестник Ошского государственного университета. Серии: Химия и химическая технология. 2001. № 2. С. 204—207.
4. Ефименко А.З., Пилипенко А.С. Управление производством и поставками комплектов изделий и конструкций предприятиями стройиндустрии // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 9. С. 65—67.
5. Соков В.Н., Бегляров А.Э., Жабин Д.В., Землянушнов Д.Ю. О возможностях создания эффективных теплоизоляционных материалов методом комплексного воздействия на активные подвижные массы гидротеплосиловым полем // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 9. С. 17—19.
6. Орлова A.M., Григорьева Л.С., Волов А.Д., Крюкова В.М. Разработка системы га-зообразователей для поризованных гипсов // Вестник МГСУ 2011. № 1—2. С. 304—308.
7. Жуков А.Д., Орлова А.М., Наумова Т.А., Никушкина Т.П., Майорова А.А. Экологические аспекты формирования изоляционной оболочки зданий // Научное обозрение. 2015. № 7. С. 209—212.
8. Овчаренко Е.Г. Тенденции в развитии производства утеплителей в России // РосТепло.ги. Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=172.
9. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 8—16.
11. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Энергетическая эффективность и методология создания теплоизоляционных материалов // Интернет-Вестник ВолгГАСУ Серия: Политематическая. 2014. № 4 (35). Ст. 3. Режим доступа: http://vestnik.vgasu. ru/?source=4&articleno=1789.
12. Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Теплоизоляция и современные строительные системы // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. № 6. С. 11—13.
13. Орешкин Д.В., Семенов В.С. Современные материалы и системы в строительстве — перспективное направление обучения студентов строительных специальностей // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 92—94.
Поступила в редакцию в марте 2016 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, доцент кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Ц211@ yandex.ru;
Асаматдинов Марат Орынбаевич — аспирант кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Нурымбетов Бахтияр Чимбергенович — кандидат технических наук, доцент Каракалпакского государственный университет им. Бердаха (КГУ им. Бердаха), 230112, Республика Узбекистан, г. Нукус, ул. Ч. Абдирова, д. 1, [email protected];
Туремуратов Шарибай Наурызбаевич — кандидат химических наук, Каракалпакский научно-исследовательский институт естественных наук Каракалпакского отделения Академии наук Республики Узбекистан (Каракалпакский научно-исследовательский институт естественных наук ККО АН РУз), 230100, Республика Узбекистан, г. Нукус, пр-т Бердаха, д. 41, [email protected].
Для цитирования: Жуков А.Д., Асаматдинов М.О., Нурымбетов Б.Ч., Туремуратов Ш.Н. Исследование кинетики гидратационного структурообразования и свойств известково-белитовых вяжущих на основе мергелей // Вестник МГСУ 2016. № 4. С. 62—68.
A.D. Zhukov, M.O. Asamatdinov, B.Ch. Nurymbetov, Sh.N. Turemuratov
STUDY OF THE KINETICS OF HYDRATION STRUCTURING AND THE PROPERTIES OF LIME-BELITIC BINDERS BASED OF MARL
Lime-belite binder is obtained by low-temperature firing of natural marl, marling or sanding limestone and artificial lime-silica mixtures. The binder with calcium oxide also contains significant amounts of dicalcium silicate and some others materials, the composition and quantity of which depend on the chemical composition and firing temperature of the raw materials used.
The authors investigated the kinetics of hydration structures and physicochemical properties of lime-based binders on the basis of belitic marl from Akburly and Porlytau. The formation of resistance is associated not only with the formation of the system of different types of structures — coagulation and crystallization, with the transition of the first to the second, but also with the different stages of formation of crystal structures. The possibility of using lime-belitic binders for the preparation of high-strength products of autoclave hardening is proved.
The autoclaved binders used in the manufacture of sand-lime products are prepared with the use of mixtures consisting of 60...70 % lime-belite binder and 30...40 % ground quartz sand.
Key words: binder, solution, additives, silica, hydration structure formation, firing
References
1. Turemuratov Sh.N., Nurymbetov B.Ch., Adylov D.K. Sintez i issledovaniya izvestkovo-belitovogo vyazhushchego na osnove mergelya Akburlinskogo mestorozhdeniya [Synthesis and Study of Lime-Belite Binder Based on Marl of Akburlinskiy Deposit]. Nauka i obra-zovanie Yuzhnogo Kazakhstana [Science and Education of South Kazahstan]. 2000, no. 11, pp. 223—225. (In Russian)
2. Korovyakov V.F. Perspektivy primeneniya vodostoykikh gipsovykh vyazhushchikh v sovremennom stroitel'stve [Prospects of Application of Water-Resistant Gypsum Binders in Modern Construction]. Povyshenie effektivnosti proizvodstva i primeneniya gipsovykh mate-rialov i izdeliy : materialy Vserossiyskogo seminara [Improving the Efficiency of Production and Use of Gypsum Materials and Products : Proceedings of All-Russian Seminar]. Moscow, RAASN Publ., 2002, pp. 51—56. (In Russian)
3. Nurymbetov B.Ch., Adylov D.K., Turemuratov Sh.N. Regulirovanie aktivnosti izvest-kovo-belitovogo vyazhushchego s dobavkoy rastvorimogo gipsa [Regulation of the Activity of Calc-Belite Binder with Addition of Soluble Gypsum]. Vestnik Oshskogo gosudarstvennogo universiteta. Serii: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya [Bulletin if the Osh State University. "Chemistry and Chemical Technology" Series]. 2001, no. 2, pp. 204—207. (In Russian)
4. Efimenko A.Z., Pilipenko A.S. Upravlenie proizvodstvom i postavkami komplek-tov izdeliy i konstruktsiy predpriyatiyami stroyindustrii [Management of Production and Delivery of Product and Structure Sets by Construction Industry Enterprises]. Promyshlen-noe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 65—67. (In Russian)
вестник 4/20i6
5. Sokov V.N., Beglyarov A.E., Zhabin D.V., Zemlyanushnov D.Yu. O vozmozhnostyakh sozdaniya effektivnykh teploizolyatsionnykh materialov metodom kompleksnogo vozdeyst-viya na aktivnye podvizhnye massy gidroteplosilovym polem [On Possibilities of Obtaining Efficient Thermal Insulating Materials Using the Method of Complex Effect on Active Moving Masses by Hydro-Thermal-Power Field]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 17—19. (In Russian)
6. Orlova A.M., Grigor'eva L.S., Volov A.D., Kryukova V.M. Razrabotka sistemy gazoo-brazovateley dlya porizovannykh gipsov [Development of a System of Pore-Forming Agents for Porous Gypsum]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1—2, pp. 304—308. (In Russian)
7. Zhukov A.D., Orlova A.M., Naumova T.A., Nikushkina T.P., Mayorova A.A. Eko-logicheskie aspekty formirovaniya izolyatsionnoy obolochki zdaniy [Environmental Aspects of the Formation of the Insulating Sheath of Buildings]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review]. 2015, no. 7, pp. 209—212. (In Russian)
8. Ovcharenko E.G. Tendentsii v razvitii proizvodstva utepliteley v Rossii [Development Trends in the Production of Thermal Insulation in Russia]. RosTeplo.ru. Available at: http:// www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=172. (In Russian)
9. Gagarin V.G. Makroekonomicheskie aspekty obosnovaniya energosberegayushchikh meropriyatiy pri povyshenii teplozashchity ograzhdayushchikh konstruktsiy zdaniy [Macroeco-nomic Aspects of the Substantiation of Energy Saving Measures by Increasing the Thermal Protection of Enclosing Structures of Buildings]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 3, pp. 8—16. (In Russian)
11. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.V. Energeticheskaya effektivnost' i metodologiya sozdaniya teploizolyatsionnykh materialov [Energy Efficiency and Methodology of Producing Thermal Insulating Materials]. Internet-Vestnik VolgGASU. Seriya: Poli-tematicheskaya [Internet Proceedings of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Polythematic]. 2014, no. 4 (35), art. 3. Available at: http://vestnik.vgasu. ru/?source=4&articleno=1789. (In Russian)
12. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D. Teploizolyatsiya i sovremennye stroitel'nye sistemy [Thermal Insulation and Modern Building Systems]. Krovel'nye i izolyatsionnye materialy [Roofing and Insulation Materials]. 2013, no. 6, pp. 11—13. (In Russian)
13. Oreshkin D.V., Semenov V.S. Sovremennye materialy i sistemy v stroitel'stve — per-spektivnoe napravlenie obucheniya studentov stroitel'nykh spetsial'nostey [Modern Materials and Systems in the Construction as a Perspective Direction of Teaching Students of Construction Specialties]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2014, no. 7, pp. 92—94. (In Russian)
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Asamatdinov Marat Orynbaevich — postgraduate student, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Nurymbetov Bakhtiyar Chimbergenovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Karakalpak State University named after of Berdakh (KSU), 1 Ch. Abdirova str., Nukus, 230112, Republic of Uzbekistan; [email protected];
Turemuratov Sharibay Nauryzbaevich — Candidate of Chemical Sciences, Karakalpak State University named after of Berdakh (KSU), 1 Ch. Abdirova str., Nukus, 230112, Republic of Uzbekistan; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Asamatdinov M.O., Nurymbetov B.Ch., Turemuratov Sh.N. Issledovanie kinetiki gidratatsionnogo strukturoobrazovaniya i svoystv izvestkovo-belitovykh vyazhushchikh na osnove mergeley [Study of the Kinetics of Hydration Structuring and the Properties of Lime-Belitic Binders Based of Marl]. Vestnik MGSu [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 4, pp. 62—68. (In Russian)
