ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВКОЙ ТОНКОДИСПЕРСНОГО БЕНТОНИТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER

УДК 691.335

DOI: 10.22227/1997-0935.2022.8.1017-1026

Исследование свойств щелочных вяжущих материалов с добавкой тонкодисперсного бентонита

Мадина Шахидовна Саламанова1,2, Зураб Шарудиевич Гацаев1,2, Вячеслав Валерьевич Сызранцев1

1 Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова); г. Грозный, Россия;

2 Комплексный научно-исследовательский институт имени Х.И. Ибрагимова Российской академии наук;

г. Грозный, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Поиск новых вариантов получения менее энергоемких материалов за счет снижения их себестоимости, расширения минерально-сырьевой базы благодаря использованию местных сырьевых ресурсов и промышленных отходов, а также развития эффективных технологий производства является актуальной проблемой строительной отрасли. Бесклинкерная технология изготовления гидравлических вяжущих позволит частично заменить ресурсоемкий портландцемент в строительстве и поможет в определенной доле решить эти проблемные вопросы, одновременно повышая экологическую безопасность на мировом уровне. Предлагаемые вяжущие материалы, основанные на принципах структурообразования в щелочных системах как совокупности последовательно и параллельно протекающих физико-химических превращений путем контактного взаимодействия тонкодисперсных порошков алюмоси-ликатной природы с катионами щелочных металлов, способствуют образованию прочных и долговечных композитов. Материалы и методы. Исследование энергодисперсионного микроанализа используемых компонентов вяжущей си- e J стемы выполнено на растровом электронном микроскопе QUANTA 3D, гранулометрия частиц изучена на анализато- t 2 ре HORIBA методом динамического рассеяния света. Прочностные характеристики вяжущих систем «аспирационная 2. н пыль - бентонит - Na2OSiO2» определялись согласно ГОСТ 30744-2001 на испытательной машине Testometric FS150AT. с К Результаты. Электронно-микроскопический анализ показал, что частицы аспирационной пыли размерами более 3 g 200 мкм и менее 100 мкм имеют схожий оксидный состав с преобладанием оксидов кальция, кремния, алюминия ^ г и углерода. Химический состав бентонита подтверждает алюмосиликатную природу. Установлено повышение физи- С Q ко-механических свойств образцов систем «аспирационная пыль - бентонит - Na2OSiO2», именно добавка бентони- • . та более высокой дисперсности способствует получению плотной упаковки зерен путем перераспределения частиц ° S в объеме, что положительно отразилось на поровой структуре и водостойкости цементного камня. S N

Выводы. Результаты исследования подтвердили новые возможности щелочной активации комплексных порошков § 1 из отходов цементной промышленности и бентонитовой глины, полученные характеристики и зависимости позволят o 9 применять предлагаемую технологию в строительстве.

ческий состав, вяжущие системы, цементный камень

7 п °

1 3

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аспирационная пыль, щелочной раствор, жидкое стекло, бентонитовая глина, гранулометри- 0 сл

О о

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Саламанова М.Ш., Гацаев З.Ш., Сызранцев В.В. Исследование свойств щелочных вяжущих материалов с добавкой тонкодисперсного бентонита // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 8. С. 1017-1026. DOI: u S 10.22227/1997-0935.2022.8.1017-1026 i N

Автор, ответственный за переписку: Мадина Шахидовна Саламанова, madina_salamanova@mail.ru. § з

a о

A -

Investigation of the properties of alkaline binding materials with the addition of fine bentonite

Madina Sh. Salamanova1,2, Zurab Sh. Gatsaev1,2, Vyacheslav V. Syzrantsev1 o 4

1 Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov (GSOTU named after U | academician M.D. Millionshchikov); Grozny, Russian Federation; 3 7

2 Complex Research Institute named after Kh.I. Ibragimov of the Russian Academy of Sciences;

Grozny, Russian Federation

r 6

cn

cd cd

■4

. DO

■ T

s □

s У с о <D Ж

ABSTRACT

Introduction. Searching for new methods of making less energy-intensive materials by reducing their cost, adding local raw , ,

materials and industrial waste to the mineral resource base, as well as developing efficient production technologies is a relevant 2 2

problem of the construction industry. A clinker-free technology for the manufacture of hydraulic binders will partially replace 2 2

resource-intensive Portland cement in construction and help to solve these problematic issues to a certain extent and boost 2 2 the environmental safety at the global level. The proposed binders, based on principles of structurization in alkaline systems

© М.Ш. Саламанова, З.Ш. Гацаев, В.В. Сызранцев, 2022

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

as a combination of sequential and parallel physical and chemical transformations due to the contact interaction between fine powders of aluminosilicate nature and cations of alkali metals, contribute to the formation of strong and durable composites. Materials and methods. The study of energy dispersive microanalysis of components of the binder system was performed using the QUANTA 3D scanning electron microscope; dynamic light scattering was employed to study the particle granulometry with the help of the HORIBA analyzer. The strength characteristics of the binder systems "aspiration dust -bentonite - Na2OSiO2" were determined according to GOST 30744-2001 using Testometric FS150AT testing machine. Results. Electron microscopic analysis showed that particles of aspiration dust larger than 200 microns and smaller than 100 microns have a similar oxide composition, with a predominance of oxides of calcium, silicon, aluminum and carbon. The chemical composition of bentonite confirms the aluminosilicate nature. An increase in the physical and mechanical properties of specimens of the systems "aspiration dust - bentonite - Na2OSiO2" has been identified; it is the addition of higher dispersion bentonite that contributes to the dense packing of grains due to the volume-wise redistribution of particles, which positively affects the pore structure and water resistance of the cement stone.

Conclusions. The results of the study have proven the new prospects for the alkaline activation of complex powders made of cement industry waste and bentonite clay; the characteristics and dependencies, obtained by the authors, will allow using the proposed technology in construction.

KEYWORDS: aspiration dust, alkaline solution, liquid glass, bentonite clay, granulometric composition, binder systems, cement stone

FOR CITATION: Salamanova M.Sh., Gatsaev Z.Sh., Syzrantsev V.V. Investigation of the properties of alkaline binding materials with the addition of fine bentonite. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(8): 1017-1026. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.8.1017-1026 (rus.). Corresponding author: Madina Sh. Salamanova, madina_salamanova@mail.ru.

N N

N N

О О

tv N

CO CO

К (V

U 3

> (Л

с и

to I»

i <D <u

о ё

о

о о СО <

cd

8 « ™ §

(Л "

со E

E о

CL О

^ с

ю о

s «

о E

CO ^

T- ^

CO CO

■s

r

il

О tn

ВВЕДЕНИЕ

Развитие строительного комплекса и региональной экономики в целом требует увеличения потребности в широком спектре строительных материалов. Это обуславливает поиск путей снижения их себестоимости, расширения минерально-сырьевой базы за счет использования местных сырьевых ресурсов и промышленных отходов, а также новых эффективных технологий их производства. Бесклинкерная технология изготовления гидравлических вяжущих, позволяющих частично заменить ресурсоемкий портландцемент в строительстве, поможет в определенной доле повысить экологическую безопасность на мировом уровне.

Дополнение существующих представлений о процессах гидратационного твердения и создании вяжущих щелочной активации на основе минеральных добавок природного и техногенного происхождения приобретает в настоящее время особую актуальность. Во многих регионах страны функционируют заводы по выпуску портландцемента, вращающиеся клинкерообжигательные печи являются источниками вредных выбросов газа и реакционной пыли в атмосферу и окружающую среду. Непригодная для повторного возврата в технологический процесс аспирационная пыль улавливается в огромных объемах электрофильтрами пылеочистных сооружений и может служить ценным сырьем в производстве вяжущих щелочного затворения [1, 2].

К тому же вяжущие щелочной активации имеют преимущества не только за счет вовлечения неиспользуемых отходов промышленности в технологию, но и из-за улучшенных физико-механических характеристик и долговечности строительных композитов на их основе.

Многие свойства вяжущих композиций, в том числе их реакционная способность, прочность, скорость твердения, стойкость в различных условиях

и другие, определяются их химико-минералогическим составом, степенью измельчения вяжущего, его зерновым составом и формой частичек порошка. Результаты исследований по созданию минерально-шлаковых вяжущих и строительных материалов на их основе с использованием горных пород осадочного и вулканического происхождения: глины, известняка, доломита, молотого гравия, кремнеземистых и глауконитовых песчаников, базальта, диабаза, гранита, сиенита, диорита в тонкодисперсном состоянии показали хорошую совместимость минералов с включениями кварца, алюмосиликатов и кальцита с компонентами шлака в щелочной среде с формированием нормативной прочности до 33-50 МПа. Полученные на их основе минерально-шлаковые композиты отличаются высокими прочностью, водо-, трещино- и морозостойкостью, низкими усадочными деформациями [1-5].

Представленные результаты исследования многокомпонентных наполненных вяжущих систем щелочного затворения с использованием тонкодисперсных порошков из горных пород осадочного и магматического происхождения: окремненного мергеля Веденского месторождения, барханных песков Шелковского месторождения, вулканического туфа из Кабардино-Балкарской Республики, а также аспирационной и клинкерной цементной пыли электрофильтров цементного завода, свидетельствуют о получении строительных композитов с достаточно хорошими прочностными показателями [2, 4]. Установлена наиболее рациональная рецептура вяжущей связки «аспирационная пыль - клинкерная пыль -вулканический туф - №2О^Ю2», а проведенные дифференциально-термические и рентгенофлуорес-центный анализы подтвердили присутствие в составе цементного камня (ЦК) следующих фаз: цеолита, кальцита, слюды типа мусковит, монтмориллонита (основной компонент бентонита), оксида магния, сульфоалюмината кальция, эттрингита, гидрохлора-

люмината кальция, гидросиликатов кальция, гидрида силиката кальция. Регулируя соотношение компонентов вяжущей связки и их удельную поверхность, введением в систему тонкодисперсных добавок алюмо-силикатной природы можно получать качественный долговечный материал с новым уровнем технологических и эксплуатационных характеристик [5-7]. Щелочная активация полиминеральных глин месторождений Республики Татарстан, предварительно подвергнутых термоактивации при температуре 750 °С, способствовала существенному улучшению свойств строительных композитов [8].

Небольшой аналитический обзор исследований в области бесклинкерной технологии подтверждает перспективность данного направления, а возможность утилизации неиспользуемого в производстве вторичного материала позволит расширить сырьевую базу и внести определенный вклад в улучшение экологической обстановки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе представлены разработки бесклинкерных вяжущих щелочной активации, основанные на щелочной активации порошков аспирационной пыли и бентонитовой глины. Исследование химического состава используемого бентонитового сырья месторождений Чеченской Республики и аспираци-онной пыли (АО «Чеченцемент») выполнено на растровом электронном микроскопе QUANTA 3D 200i с интегрированной системой микроанализа Genesis Apex 2 EDS от EDAX в режиме высокого вакуума при

различных увеличениях. Обработка спектров производилась при помощи программного обеспечения EDAX TEAM EDS. Распределение частиц по размерам определяли на анализаторе субмикронных частиц HORIBA (Япония) методом динамического рассеяния света. Прочностные характеристики вяжущих систем «аспирационная пыль - бентонит - Na2O-SiO2» устанавливались согласно ГОСТ 30744-2001 на стандартных образцах-балочках размером 40 х 40 х 160 мм из теста нормальной густоты. В качестве щелочного затворителя использовался водный раствор жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,42 г/см3 (производитель ООО «Тантал-4» Московская область). Испытания прочности осуществляли на гидравлическом прессе Testometric FS150AT.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Химический состав исследуемых образцов, морфология и размер частичек порошкообразных компонентов щелочных вяжущих композиций представлены в таблице. Поскольку микроскопическому исследованию подвергается незначительное количество вещества, а результат переносится на большие партии клинкера, цемента или других материалов, необходимо обращать особое внимание на отбор средней пробы, которая являлась бы характерной для данной партии материала. При отборе средней пробы клинкера рекомендуется отбирать зерна различной гранулометрии, подбирая мелкие, средние и крупные гранулы [9, 10].

< п

8 8 i H

G Г

S 2

со со

Химический состав исследуемых образцов и размер частичек порошка Chemical composition of studied specimens and powder particle size

Оксиды Аспирационная пыль, весовые % на участках образца Aspiration dust, weight percentage on the specimen surface Бентонитовая глина Bentonite clay

Oxides частицы > 200 мкм particles >200 ^m частицы < 100 мкм particles < 100 ^m весовые % на участках образца weight percentage on the specimen surface

CO2 10,7 9,70 -

MgO 0,73 0,68 1,36

Al2O3 3,40 3,10 18,09

SiO2 14,6 14,8 63,38

SO3 1,80 3,20 -

Cl 0,32 0,40 -

K2O 6,20 7,50 2,41

CaO 57,6 58,1 1,42

Fe2O3 2,80 2,70 9,15

y ->■ J to

u-

^ I

n °

S 3

о s

=! (

о n

СО

со

0)

M со о S §

r §6 c я

h о

c 9

SS ) [[

[ 7 л ' . DO

■ г

s □

s У с о <D *

SPS,

2 2 О О 2 2 2 2

сч N N N

о о

N N СО СО К (V U 3 > (Л С И

со N

i - $

ф ф

О S

о

о о

со <

со S:

8 «

™ §

ОТ "

от iE

Е О

CL ° • с

ю о

S «

о Е с5 °

СП ^ т- ^

от от

S2 =3 г

iE 3s

О tn

Наибольшее количество пыли выделяется из зон подсушки, кальцинирования и экзотермических реакций, поэтому основная ее масса состоит из смеси обожженной глины и неразложенного известняка. Для анализа выбраны частицы аспира-ционной пыли размерами более 200 мкм и менее 100 мкм, значимой зависимости концентрации основных оксидов от размера зерен не наблюдается. Это подтверждается химическим составом, где на долю оксида кальция приходится 60 %, оксида кремния до 15 % и оксида углерода 10 % от общей массы. Химический состав бентонита месторождений Чеченской Республики имеет схожий химический состав с типовыми бентонитами других известных месторождений России, концентрации основных оксидов доминируют с небольшими отклонениями.

Размеры частиц и их распределение по крупности оказывают непосредственное влияние на свойства вяжущих веществ. Под гранулометрическим составом порошка понимают распределение его по величине частиц, следовательно, устанавливают размеры частиц и долю в процентах частиц различных классов крупности. Дисперсный состав аспирационной пыли предварительно определялся методами ситового и микроскопического анализа.

Поскольку наименьший размер ячеек, применяемых обычно в технике сит, составляет примерно 30-40 мкм, то ситовый анализ может характеризовать только гранулометрический состав грубоди-сперсных или гранулированных порошков (рис. 1). В материале зафиксировано преобладание крупных зерен в области 90 мкм, содержание частиц этого размера достигает до 27 %. Изучение дисперсности аспирационной пыли с помощью растрового электронного микроскопа QUANTA 3D 200i представлено на микрофотографиях при увеличениях максимально в 10 000 раз (рис. 2).

Для прочности и времени твердения ЦК важную роль имеют отдельные фракции и, по мнению авторов [11-15], частицы 0-5 мкм участвуют в наборе проч-

но

25

20

15

Я (U H CL

& С

10

30 40 45 50 60 70 80 90 100

Рис. 2. Микрочастицы аспирационной пыли Fig. 2. Microparticles of aspiration dust

ности в первые 24 ч твердения. Однако прочность ЦК, полученного из такой тонкой фракции, не самая высокая. Цементный камень, получаемый из фракций соответственно 5-10, 20-60 мкм (или других диапазонов), твердеет медленнее. Фракции частиц 60-200 мкм гидратируются достаточно долго, уплотняя ЦК, тем самым твердеют медленно и позднее достигают высокой прочности. На поверхности образца отсутствуют частицы, отличные от основного массива. Как показано на рис. 2, поверхность образца имеет однотипную шероховатую фактуру и размеры десятки мкм. Вся поверхность крупных частиц покрыта микрочастицами, размерами менее 3 мкм.

Структурными элементами бентонита являются алюмосиликатные слои толщиной 2 нм, а стороны пластины имеют длину приблизительно 50 и 150 нм, что объясняет высокие значения удельной поверхности. Исходя из структурного строения бентонит поддается механическому диспергированию в воде. С целью уменьшения среднего размера частиц бентонит измельчали в водной среде в планетарной шаровой мельнице с частотой вращения 500 об/мин, через определенные интервалы времени определяли размеры частиц на HORIBA (рис. 3).

Со временем в суспензии уменьшалась доля крупных частиц, одновременно увеличивалась доля частиц средних и мелких размеров. Опытным путем было подобрано оптимальное время измельчения 5 мин. Средний размер частиц бентонита в суспен-

Я (D H Си

& С

W| СG t- t- СЯ

Tf О',

ï*i fi'

Размер частиц, мкм Particle size, цт

Размер частиц, мкм Particle size, |.mi

Рис. 1. Гранулометрический состав аспирационной пыли Рис. 3. График распределения частиц бентонита по раз-

ситовым методом

мерам

Fig. 1. Granulomere composition of aspiration dust identified Fig. 3. Bentonite particle size distribution diagram by using the sieve method

зиях при этих условиях — 1500 нм. Дальнейшее увеличение времени измельчения сказывалось негативно на микрочастицах, приводя к их слипанию. С целью изучения поверхности добавки слой тонкодисперсного порошка бентонита необходимой толщины для исследований получали на специальном двухстороннем липком углеродном скотче (рис. 4).

С помощью прибора ПСХ-12 определяли удельную поверхность аспирационной пыли и природного измельченного бентонита (5 мин), числовые значения которых составили 280 и 550 м2/кг соответственно. Прочностные характеристики вяжущих систем «аспи-рационная пыль - бентонит - №2О^Ю2» устанавливались в возрасте 7, 28 и 56 суток согласно ГОСТ 30744-2001, для этого изготавливались стандартные образцы-балочки размером 40 х 40 х 160 мм из теста нормальной густоты. В качестве мелкого заполнителя использовали песок Червленского месторождения в соотношении 1:3. Тонкодисперсный бентонит (ТБ) вводили в систему в количестве 3, 6, 9 и 12 % от массы аспирационной пыли. В качестве щелочного затвори-теля использовался водный раствор жидкого натриевого стекла с силикатным модулем 2,8 и плотностью 1,42 г/см3. Для экспериментов готовили не менее трех образцов для каждого испытания.

Рис. 4. Природный бентонит Fig. 4. Natural bentonite

После распалубки образцы хранились в воздушно-сухих условиях, периодически подвергались визуальному осмотру и через определенные промежутки времени подлежали испытанию на машине Testometric FS150AT (по 3 образца на каждое испытание). Полученные данные по испытанию вяжущих систем «аспирационная пыль - бентонит -№2О^Ю2», имеющих различную концентрацию добавки бентонита, представлены на рис. 5, 7, 8.

Водопоглощение определяют путем сравнения показателей изменения массы до и после погружения образцов в воду, а именно до того времени, пока их масса не увеличится за сутки менее чем на 0,1 % от первоначальной. Образцы помещаются в емкость с водой (уровень жидкости на 5 см выше уровня бетона). Температура должна составлять 20±2 °С.

На рис. 5 приведены результаты испытаний, показывающие зависимость прочности при сжатии и изгибе от концентрации бентонита в возрасте 7, 28 и 56 суток.

Результаты исследований позволили определить максимальное значение прочности при сжатии вяжущей системы «аспирационная пыль - бентонит 9 % - №2О^Ю2» (рис. 5, а), к тому же это лидирование наблюдалось в возрасте 7, 28 и 56 суток. В возрасте 7 сут добавка ТБ повышает прочность при сжатии образов на 15 %, в возрасте 56 сут прочность увеличивается до 17 % по сравнению с контрольными образцами. Из представленных данных по прочности при изгибе видно, что введение бентонита в количестве 12 % приводит к повышению прочности на 5 % (рис. 5, Ь).

Для возможности визуально охарактеризовать исследуемые образцы были получены микрофотографии цементного камня вяжущей системы «аспирационная пыль - бентонит - №2О^Ю2» при содержании бентонита 0, 3, 6, 9 и 12 % (рис. 6).

< п

8 8 i н

G Г

S 2

0 со

n СО

1 2

У 1

J со

u-

^ I

n ° o

3 (

о n

С &

a

s S

К r-T

s -5 t ад

сЗ С

о t Я "

а ш

К 1

8 != ^ -jr

a ^

28 24 20 16 12 8 4 0

♦ ——1 t-—r-^j

=ü=7 суток / days

™28 суток / days

• 56 суток / days

*- -1

12

Содержание бентонита, % Bentonite content, %

^ CL

ю T

£ £

n ад

is e

я £

e й

я

^ =

о

о с

И щ

¡т X

О 0J

а -й

' .

чд ^ р

С

— --A

B-—-1 (——•-О-(1 =C= 7 суток / days

+ 56 суток / days

12

Содержание бентонита, % Bentonite content, %

a b

Рис. 5. График зависимости прочности при сжатии (а); изгибе (b) от содержания бентонита Fig. 5. Compressive strength — bentonite content curve (a); bending strength — bentonite content (BC) curve (b)

со со

0)

i\j со о 2 § > §6 c я

h о

С n

ф ) [[

[ 7 a ' . DO

■ T

s □

s У с о <D *

2 2 О О 2 2 2 2

ТБ Bentonite content

Продолжительность твердения / Curing time

7 суток days

28 суток ' days

60 суток ' days

сч сч

СЧ СЧ

о о

СЧ СЧ

CO CO

К <l>

о 3

>i in

с w

2 —

Ш N

>> -I

■s il

il

О (0

Рис. 6. Микрофотографии образцов цементного камня Fig. 6. Micrographs of cement stone specimens

12 °b

Изучая структуру ЦК по микрофотографиям, можно наблюдать, что образцы бездобавочные и с малым количеством добавки (3 %) имеют большую пористость и присутствие мелких трещин и пустот, что отрицательно сказывается на прочности композита. При увеличении содержания бентонита до 9 % микроструктура изменяется, количество пор и трещин снижается, формируется сглаженная, плотная структура. На поверхности разлома образца наблюдается однородное пространство, без пор, полностью закристаллизованное разрастающимися игольчатыми кристаллами, характерными для гидросиликатов кальция, обеспечивающих плотную и прочную структуру [16-20].

Повышение прочностных характеристик в образцах с добавкой бентонита в значительной степени может быть связано с получением более плотной упаковки зерен путем перераспределения частиц в объеме таким образом, что пустоты, создаваемые более крупными зернами аспирационной пыли, заполняются зернами меньшего размера тонкодисперсного бентонита. Создание достаточно прочных адгезионных контактов в системе «аспирационная пыль - бентонит» возможно лишь при оптимальной концентрации добавки, где образуется плотная мелкозернистая структура, что благоприятно отражается на свойствах искусственного камня. При избытке добавки бентонита с высокой дисперсностью зерен, в данном случае 12 %, возникают участки самонапряжения, что по мере роста кристаллов может привести к образованию трещин и другим нарушениям однородности микроструктуры.

Поровую структуру ЦК можно характеризовать по показателям водопоглощения по массе и водостойкости, результаты исследований представлены в виде графиков зависимости этих свойств от количества вводимой в систему добавки бентонита (рис. 7, 8).

Сравнив числовые значения водопоглощения образцов ЦК в возрасте 28 и 56 суток, можно сделать вывод, что пористость в образцах с 9 % бентонита меньше, чем у остальных образцов. Полученная зависимость подтверждает результаты исследования пористости, показывая внутренние дефекты, сквозь капилляры и поры может просачиваться вода.

В матрице камня без добавки образовалось множество микротрещин. В образцах, где присутствует тонкодисперсный бентонит, в достаточной степени заполнены зазоры и прочно сцеплены с зернами заполнителя. Количество микротрещин заметно ниже по сравнению с контрольным образцом. Исследование коэффициента размягчения подтвердило гидрав-личность полученных вяжущих систем, именно при 9%-ной добавке бентонита установлена максимальная водостойкость 0,92 цементного камня.

С увеличением содержания бентонита до 9 % наглядно возрастает коэффициент размягчения, но при дальнейшем повышении наблюдается об-

Содержание бентонита, % Bentonite content, %

Рис. 7. График зависимости водопоглощения от концентрации бентонита

Fig. 7. Water absorption — bentonite concentration curve

0.94

0.92 ; 0.9

i «g °-3S

ад с

■a 0.36

V

<e

о

M 0.84

И С'. 82

28 суток/

V = 56 суток / days

\

О-----Л

12

15

Содержание бентонита, % Bentonite content, %

Рис. 8. График зависимости коэффициента размягчения от концентрации бентонита

Fig. 8. Softening factor — bentonite concentration curve

ратный эффект. Это объясняется значительным сопротивлением прохождению молекул воды через плотную структуру и тончайшие микрокапилляры, обеспечивает повышенную водостойкость системы, что подтверждается результатами исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Представленные результаты испытаний позволяют говорить об эффективности применения тонкодисперсного бентонита в качестве добавки в вяжущей системе «аспирационная пыль - бентонит - Na2O-SiO2». Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что ТБ в количестве 9 % от массы аспирационной пыли улучшает прочностные характеристики и указывает на возможность использования данной смеси в качестве бесклинкерного вяжущего.

На основе проведенных исследований можно констатировать, что добавка бентонита благоприятно отразилась на структуре образцов и наборе прочности, о чем свидетельствуют микрофотографии ЦК, характеризующиеся со временем более высокой плотностью. Выявлены закономерности изме-

< п

8 8 i H

о

M

с

0 со n С/з

y 1

J со

u-

^ I

n ° o

3 (

01

о n

CO CO

Q)

|\J CO О 2 § r §6 c я

h о

С n

2 ) г?

? 7 г

. DO

■ г s □

s У с о

гг

со со

M 2

О О

10 10

10 10

нения структуры бесклинкерного вяжущего и формирование его плотной структуры при содержании бентонита 9 % по массе. Это изменение структуры хорошо коррелирует с изменением прочностных характеристик вяжущего: прочности на сжатие, водопоглощением и коэффициентом размягчения.

Результаты исследования подтвердили новые возможности щелочной активации отходов цементной промышленности в комплексе с местной бентонитовой глиной, полученные характеристики и зависимости позволят применять предлагаемую технологию в строительстве.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Lopez F.J., Sugita S., Tagaya M., Ko-bayashi T. Metakaolin-based geopolymers for targeted adsorbents to heavy metal ion separation // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. 2014. Vol. 02. Issue 07. Рр. 16-27. DOI: 10.4236/ msce.2014.27002

2. Саламанова М.Ш., Муртазаев С.-А.Ю., Нахаев М.Р. Возможные пути альтернативного решения проблем в цементной индустрии // Строительные материалы. 2020. № 1-2. С. 73-77. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-778-1-2-73-77

3. Chen L., Wang Z., Wang Y., Feng J. Preparation and properties of alkali activated metakaolin-based geopolymer // Materials. 2016. Vol. 9. Issue 9. Р. 767.

Jj Й DOI: 10.3390/ma9090767 о о

N N 4. Zhang Z., Provis J.L., Zou J., ReidA., Wang H. 00 00 Toward an indexing approach to evaluate fly ashes for о 3 geopolymer manufacture // Cement and Concrete ReE ¡L search. 2016. Vol. 85. Рр. 163-173. DOI: 10.1016/j. to n cemconres.2016.04.007

^ 5. Рахимова H.P. Состояние и перспективные с

2 с направления развития исследований и производства

о композиционных шлакощелочных вяжущих, рас-

• творов и бетонов // Строительные материалы. 2008.

Ш 2 № 9. С. 77-80.

(í= "Í3 6. Hardjito D., Wallah S., Sumajouw D., Rangan B. q On the development of fly ash-based geopolymer cong I crete // ACI Materials Journal. 2004. Vol. 101. Issue 6. 4 ? Рр. 467-472. DOI: 10.14359/13485

с 7. Davidovitz J. Geopolymer. Chemistry and ap-

z plications. Saint-Quentin : Institute Geopolymer, 2008.

w Ü 592 p.

-g g 8. Nuruddin M., Demie S., AhmedM., Shafiq N. £ ^ Effect of superplasticizer and NaOH molarity on work-g ° ability, compressive strength and microstructure propero E ties of self-compacting geopolymer concrete // World cñ ° Academy of Science, Engineering and Technology.

- 2011. Vol. 75. Рр. 908-914.

со с 9. Alex T.C., Kalinkin A.M., Nath S.K., Gure-<л °

— 2 vich B.I., Kalinkina E.V., Tyukavkina V.V. et al. Utilizase э tion of zinc slag through geopolymerization: influence i- of milling atmosphere // International Journal of Mi® E neral Processing. 2013. Vol. 123. Рр. 102-107. DOI: ¡ й 10.1016/j.minpro.2013.06.001

¡3 -g 10. Villa C., Pecina E.T., Torres R., Gomez L.

H ¡¡^ Geopolymer synthesis using alkaline activation of natural zeolite // Construction and Building Materials.

2010. Vol. 24. Issue 11. Рр. 2084-2090. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2010.04.052

11. Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З. Композиционные шлакощелочные вяжущие с минеральными добавками различного типа активности // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2013. № 16. С. 204-216.

12. Salamanova M.Sh., Mintsaev M. Sh., Murtaza-evS.-A.Yu., BisultanovR.G. Fine-grained concretes with clinker-free binders on an alkali gauging // Proceedings of the International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019. DOI: 10.2991/isees-19.2019.98

13. Bataev D.K.-S., Salamanova M.Sh., Murtaza-ev S.-A.Yu., Viskhanov S.S. Utilization of Cement Kiln Dust in Production of Alkali-Activated Clinker-Free Binders // Proceedings of the International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019. DOI: 10.2991/ isees-19.2019.89

14. Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З. Механизм отверждения боратных солевых растворов шлако-щелочными вяжущими // Цемент и его применение. 2016. № 3. С. 96-99.

15. Dombrowski K., BuchwaldA., WeilM. The influence of calcium content on the structure and thermal performance of fly ash based geopolymers // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42. Issue 9. Рр. 30333043. DOI: 10.1007/s10853-006-0532-7

16. Pawlasova S., Skvara F. High-temperature properties of geopolymer materials // Akali Activated Materials. 2008. Рр. 523-525.

17. Khater H.M., Abd El Gawwad H.A. Effect of firing temperatures on alkali activated Geopolymer mortar doped with MWCNT // Advances in Nano Research. 2015. Vol. 3. Issue 4. Рр. 225-242. DOI: 10.12989/anr.2015.3.4.225

18. Khater H.M., ElNagar A.M., EzzatM. Optimization of alkali activated grog/ceramic wastes geopolymer bricks // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2016. Vol. 5. Issue 1. Рр. 37-46. DOI: 10.15680/IJIRSET.2015.0501005

19. Nagajothi S., Elavenil S. Strength assessment of geopolymer concrete using M-sand // International Journal of Chemical Sciences. 2016. Vol. 14. Рр. 115-126.

20. Amer I., Kohail M., El-Feky M.S., Rashad A., crete // Ain Shams Engineering Journal. 2021. Vol. 12.

Khalaf M.A. A Review on alkali-activated slag con- Issue 2. Pp. 1475-1499. DOI: 10.1016/j.asej.2020.12.003

Поступила в редакцию 10 марта 2022 г.

Принята в доработанном виде 28 июля 2022 г.

Одобрена для публикации 28 июля 2022 г.

Об авторах: Мадина Шахидовна Саламанова — кандидат технических наук, доцент, директор Научно-технического центра коллективного пользования «Современные строительные материалы и технологии»; Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова); 364051, г. Грозный, Чеченская Республика, пр-т Хусейна Исаева, д. 100; Комплексный научно-исследовательский институт имени Х.И. Ибрагимова Российской академии наук; 364051, г. Грозный, ул. В. Алиева, д. 21 а; SPIN-код: 614-9180, Scopus: 57192895779, ResearcherID: ABF-7578-2020, ORCID: 0000-0002-1293-7090; madina_salamanova@mail.ru;

Зураб Шарудиевич Гацаев — научный сотрудник Научно-исследовательского центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы»; Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова); 364051, г. Грозный, Чеченская Республика, пр-т Хусейна Исаева, д. 100; Комплексный научно-исследовательский институт имени Х.И. Ибрагимова Российской академии наук; 364051, г Грозный, ул. В. Алиева, д. 21 а; SPIN-код: 8223-9807, Scopus: 57222478003, ResearcherID: AGN-5158-2022; gacaev_195@mail.ru;

Вячеслав Валерьевич Сызранцев — кандидат физико-математических наук, директор Научно-исследовательского центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы»; Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова); 364051, г. Грозный, Чеченская Республика, пр-т Хусейна Исаева, д. 100; SPIN-код: 4028-4479, Scopus: 6507778874, ResearcherID: Y-4507-2019, ORCID: 0000-0001-5388-8224; vvveliga@mail.ru.

Вклад авторов: e е

s О

Саламанова М.Ш. — научное руководство, концепция исследования, научное редактирование, итоговые n н выводы. k и

Гацаев З.Ш. — сбор материала, обработка результатов, написание исходного текста.

Сызранцев В.В. — сбор материала, обработка результатов. $

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ж

СО

со

REFERENCES J 9

u-

^ I

n °

1. Lopez F.J., Sugita S., Tagaya M., Kobaya- 6. Hardjito D., Wallah S., Sumajouw D., Rangan B. § 3 shi T. Metakaolin-based geopolymers for targeted On the development of fly ash-based geopolymer con- § pp adsorbents to heavy metal ion separation. Journal crete. ACI Materials Journal. 2004; 101(6):467-472. ° n of Materials Science and Chemical Engineering. 2014; DOI: 10.14359/13485 t I 02(07):16-27. DOI: 10.4236/msce.2014.27002 7. Davidovitz J. Geopolymer. Chemistry and appli- § N

2. Salamanova M.Sh., Murtazaev S.-A.Yu., Na- cations. Saint-Quentin, Institute Geopolymer, 2008; 592. n M khaev M.R. Possible alternative solutions to problems 8. Nuruddin M., Demie S., Ahmed M., Sha- n g in the cement industry. Construction Materials. 2020; fiq N. Effect of superplasticizer and naoh molarity A 6

c 0

h o

1-2:73-77. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-778-1-2- on workability, compressive strength and microstruc

73-77 (rus.). ture properties of self-compacting geopolymer concrete. Cq

3. Chen L., Wang Z., Wang Y., Feng J. Prepara- World Academy of Science, Engineering and Technolo- ET = tion and properties of alkali activated metakaolin-based gy. 2011; 75:908-914. ■ geopolymer. Materials. 2016; 9(9):767. DOI: 10.3390/ 9. Alex T.C., KalinkinA.M., Nath S.K., Gurevich B.I., £ ' ma9090767 Kalinkina E.V., Tyukavkina V.V. et al. Utilization U |

4. Zhang Z., Provis J.L., Zou J., Reid A., Wang H. of zinc slag through geopolymerization: influence | 7 Toward an indexing approach to evaluate fly ashes of milling atmosphere. International Journal of Mi- 1 ■ for geopolymer manufacture. Cement and Concrete neral Processing. 2013; 123:102-107. DOI: 10.1016/ j Research. 2016; 85:163-173. DOI: 10.1016/j.cem- j.minpro.2013.06.001

«I S

conres.2016.04.007 10. Villa C., Pecina E.T., Torres R., Gomez L. g S

5. Rakhimova N.R. State and promising di- Geopolymer synthesis using alkaline activation g9,00 rections of development of research and production of natural zeolite. Construction and Building Materi- 0 0 of composite slag-alkaline binders, mortars and con- als. 2010; 24(11):2084-2090. DOI: 10.1016/j.conbuild- 2 2 cretes. Construction Materials. 2008; 9:77-80. (rus.). mat.2010.04.052

11. Rakhimova N.R., Rakhimov R.Z. Composite slag-alkali binders with mineral additives of various types of activity. Bulletin of the Volga Regional Branch of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences. 2013; 16:204-216. (rus.).

12. Salamanova M.Sh., Mintsaev M.Sh., Mur-tazaev S.-A.Yu., Bisultanov R.G. Fine-Grained Concretes with Clinker-Free Binders on an Alkali Gauging. Proceedings of the International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019. DOI: 10.2991/ isees-19.2019.98

13. Bataev D.K.-S., Salamanova M.Sh., Murtaza-ev S.-A.Yu., Viskhanov S.S. Utilization of Cement Kiln Dust in Production of Alkali-Activated Clinker-Free Binders. Proceedings of the International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019. DOI: 10.2991/ isees-19.2019.89

14. Rakhimova N.R., Rakhimov R.Z. Mechanism of solidification of borate salt solutions with slag-

N N alkaline binders. Journal Cement and its Applications.

o o 2016; 3:96-99. (rus.).

® ® Received March 10, 2022.

¡^ 3 Adopted in revised form on July 28, 2022.

E J2 Approved for publication on July 28, 2022.

Bionotes: Madina Sh. Salamanova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Director of the Scientific and Technical Center for Collective Use "Modern Building Materials and Technologies"; Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov (GSOTU named after academician M.D. Millionshchikov); 100 Isaev avenue, Grozny, 364051, Russian Federation; Complex Research Institute named after Kh.I Ibragimov of the Russian Academy of Sciences; 21 a Alieva st., Grozny, 364051, Russian Federation; SPIN-code: 614-9180, Scopus: 57192895779, ResearcherID: ABF-7578-2020, ORCID: 0000-0002-1293-7090; madina_salamanova@mail.ru;

Zurab Sh. Gatsaev — Researcher at the Research center for Collective Use "Nanotechnologies and Nanomateri-als"; Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov (GSOTU named after academician M.D. Millionshchikov); 100 Isaev avenue, Grozny, 364051, Russian Federation; Complex Research Institute named after Kh.I. Ibragimov of the Russian Academy of Sciences; 21 a Alieva st., Grozny, 364051, Russian Federation; SPIN-code: 8223-9807, Scopus: 57222478003, ResearcherID: AGN-5158-2022; gacaev_195@mail.ru;

Vyacheslav V. Syzrantsev — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Director of the Research Center for Collective Use "Nanotechnologies and Nanomaterials"; Grozny State Oil Technical University named after academician M.D. Millionshchikov (GSOTU named after academician M.D. Millionshchikov); 100 Isaev avenue, Grozny, 364051, Russian Federation; SPIN-code: 4028-4479, Scopus: 6507778874, ResearcherID: Y-4507-2019, ORCID: 0000-0001-5388-8224; vvveliga@mail.ru.

Contribution of the authors:

Madina Sh. Salamanova — scientific guidance, conceptual studies, scientific editing, capture results. Zurab Sh. Gatsaev — material assembly, processing results, writing original text. Vyacheslav V. Syzrantsev — material assembly, processing results. The authors declare no conflict of interest.

15. Dombrowski K., Buchwald A., Weil M. The Influence of Calcium Content on the Structure and thermal performance of fly ash based geopolymers. Journal of Materials Science. 2007; 42(9):3033-3043. DOI: 10.1007/s10853-006-0532-7

16. Pawlasova S., Skvara F. High-Temperature properties of geopolymer materials. Akali Activated Materials. 2008; 523-525.

17. Khater H.M., Abd El Gawwad H.A. Effect of firing temperatures on alkali activated Geopolymer mortar doped with MWCNT. Advances in nano research. 2015; 3(4):225-242. DOI: 10.12989/ anr.2015.3.4.225

18. Khater H.M., El Nagar A.M., Ezzat M. Optimization of alkali activated grog/ceramic wastes geopolymer bricks. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2016; 5(1):37-46. DOI: 10.15680/IJIRSET.2015.0501005

19. Nagajothi S., Elavenil S. Strength assessment of geopolymer concrete using M-sand. International Journal of Chemical Sciences. 2016; 14:115-126.

20. Amer I., Kohail M., El-Feky M.S., Rashad A., Khalaf M.A. A review on alkali-activated slag concrete. Ain Shams Engineering Journal. 2021; 12(2):1475-1499. DOI: 10.1016/j.asej.2020.12.003

to

i CD CD

O g

o

o o CO <

8 « ™ §

CO "

co E

E o

CL ° • c LT> O

s «

o E

CD ^

T- ^

CO CO

■s

r

il

O (0