CC BY
17УДК 66.045.3
В.И. ЛОГАНИНА, д-р техн. наук, О.А. ДАВЫДОВА, канд. техн. наук, Е.Е. СИМОНОВ, инженер, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Исследования закономерностей влияния золя кремниевой кислоты на структуру и свойства диатомита
С целью повышения эффективности использования диатомита как сырья для производства теплоизоляционных строительных материалов, наполнителей для сухих строительных смесей, адсорбентов, фильтров и т. д. применяют различные способы его активации. Увеличения активности диатомита можно достичь, производя специальную его активацию, заключающуюся в увеличении содержания аморфного кремнезема. В данной работе представлены результаты исследований оценки активации диатомита путем добавления к нему веществ, содержащих также аморфный кремнезем.
В работе применяли диатомит Инзенского месторождения. Результаты количественного химического анализа, проведенного на спектрометре СРМ 25, показали, что содержание кремнезема составляет до 82%, при этом около 33—36% находится в аморфном виде. В качестве добавки, увеличивающей содержание аморфного кремнезема в диатомите, применяли золь кремниевой кислоты [1]. Технология введения золя предусматривала смешивание молотого диатомита с удельной поверхностью Sуд = 10982,58 см2/г с золем кремниевой кислоты в соотношении 1:1,1—1,8. Полученную суспензию выдерживали в течение 1 ч, после чего высушивали до постоянной массы и измельчали до той же величины удельной поверхности. Установлено, что содержание SiO2 в модифицированном диатомите увеличилось и составляет до 89,29%.
Выявлено, что активация диатомита способствует гидрофилизации поверхности. Теплота смачивания активированного золем диатомита при соотношении
диатомит:золь кремниевой кислоты = 1:1,1 равна Q = 0,029 кДж, в то время как контрольного — 0,013 кДж. Увеличение содержания кремнезоля способствует дальнейшей гидрофилизации поверхности. Теплота смачивания поверхности при соотношении диатомит:золь кремниевой кислоты = 1:1,7 составляет Q = 0,042 кДж.
Для оценки шероховатости и локальной структуры поверхности диатомита применяли методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в частности атомно-силовой микроскоп, работающий в контактном режиме с использованием кремниевых кантилеверов, имеющих радиус закругления острия 15 нм [2].
Характерный вид исходной поверхности диатомита, активированного кремнезолем в соотношении 1:1,5, показан на АСМ-изображении (рис. 1, а) вместе с поперечным сечением рельефа вдоль линии (рис. 1, б).
Хорошо видно периодическое чередование светлых и темных полос в изображении, что соответствует изменению высоты поверхностного рельефа. Шероховатость поверхности равна Яа = 55,9 нм. Перепад высот на гладких участках поверхности не превышает 100 нм на пути длиной 2,88 мкм; 50—95% приходится на высоту рельефа поверхности, составляющей 80,1 нм, а 10—50% — 128 нм. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала составляет D = 2,05 [3].
Установлено, что поверхность содержит определенное количество пор, отличающихся друг от друга по размерам и форме. В основном присутствуют поры диаметром 75—150 нм.
Уменьшение количества кремнезоля, пошедшего на активацию диатомита, способствует повышению неод-
-120 -
0,25 0,5 0,75 1 1,3 1,5 1,8 2 2,3 2,5 2,8 Позиция, мкм
Рис. 1. АСМ-изображение поверхности диатомита, активированного золем кремниевой кислоты, в соотношении 1:1,5 (а) и рельефа поверхности (б), построенного вдоль соответствующей линии
rj научно-технический и производственный журнал
J^J ® декабрь 2011 63~
Прочность при сжатии известково-диатомовых композиций в зависимости от вида активации диатомита
Сорт извести Водоизвестковое отношение, В/И Состав Прочность при сжатии, МПа
Возраст твердения, сут
7 14 28
III 2,8 Контрольный 1,23 1.35 1,6
II 2,8 Диатомит, активированный в соотношении диатомит: золь = 1:1,125 2,28 2,76 3,12
II 6 Контрольный 1,3 1,52 1,82
II 6 Диатомит, активированный в соотношении диатомит: золь = 1:1,1 2,76 2,76 2,88
II 6 Диатомит, активированный в соотношении диатомит: золь = 1:1,3 2,82 2,88 3,72
II 6 Диатомит, активированный в соотношении диатомит: золь = 1:1,5 3,12 3,36 3,92
0,14 0,12 0;
0, 0,06 0,04 0,02 0
100 125 150 175 200 225 Диаметр пор, мкм
Рис. 2. Гистограмма распределения диаметра пор диатомита, активированного кремнезолем в соотношении 1:1,5
нородности его поверхности. Значение фрактальной размерности поверхностного фрактала составляет D = 2,26, что свидетельствует о неоднородной шероховатой поверхности. Значение шероховатости Ra составляет Ra = 142 нм; 50—95% приходится на высоту рельефа поверхности, составляющей 208 нм, а 10—50% — 271 нм.
Полученные данные свидетельствуют о большей однородности структуры модифицированного диатомита, что, несомненно, будет оказывать влияние на изменение физико-механических показателей строительных композитов. Эффективность активации оценивали по показателям прочности известково-диатомовых композитов. Предварительными исследованиями установлено оптимальное соотношение известь:диатомит, составляющее 1:4. В работе применяли известь II и III сортов с активностью соответственно 84 и 72%. Образцы формовали с различным водоизвестковым отношением В/И, они твердели 28 сут в воздушно-сухих условиях при относительной влажности воздуха 60—70% и температуре 18—20оС. В таблице приведены числовые значения прочности при сжатии известково-диатомовых композитов.
Анализ полученных данных (таблица) свидетельствует, что составы на извести III сорта с В/И=2,8 на основе диатомита, активированного золем кремниевой кислоты в соотношении 1:1,125, имеют прочность при
0,5 0,25
-0,25
о -0,75 -
0,8 1 1,2 Позиция, мкм
Рис. 3. АСМ-изображение поверхности диатомита, активированного золем кремниевой кислоты в соотношении 1:1,3 (а), и рельефа поверхности (б), построенного вдоль соответствующей линии
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js "б4 декабрь 2011 Ы ®
0,2
0,175
0,15
0,125
0,1
0,075
0,05
0,025 -
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 Диаметр пор, мкм
Рис. 4. Гистограмма распределения диаметра пор диатомита, активированного кремнезолем в соотношении 1:1,3
сжатии в возрасте 28 сут воздушно-сухого твердения Ясж = 3,12 МПа, в то время как контрольного — 1,6 МПа. В соответствии с DIN 18550 такие составы являются трещиностойкими.
Аналогичные закономерности характерны и для составов с другим водоизвестковым отношением В/И и применением извести II сорта.
Повышение прочности обусловлено скорее всего снижением напряженного состояния известкового композита, вызванного более однородной структурой модифицированного диатомита, а также вследствие более активного химического взаимодействия с известью. Полученные данные РФА и ДТА свидетельствуют о формировании более прочной структуры известкового композита на основе активированного кремнезолью диатомита. Данные рентгенофазового (РФА) анализа свидетельствуют, что на рентгенограмме известково-диатомовых образцов с применением диатомита, акти-
вированного золем кремниевой кислоты, идентифицируются линии, относящиеся к гидросиликатам, однако по сравнению с контрольным составом (без активации диатомита) интенсивность пиков увеличена. Кроме того, уменьшается интенсивность пиков, относящихся к портландиту.
На основании комплекса проведенных исследований установлено оптимальное соотношение диато-мит:золь, составляющее 1:1,5.
Результаты испытаний свидетельствуют, что применение модифицированного диатомита позволяет получить сухие строительные смеси, покрытия на основе которых обладают трещиностойкостью, необходимой ко-гезионной и адгезионной прочностью.
Работа выполнялась в рамках госконтракта с Министерством образования и науки РФ № 13. G25.31.0092.
Ключевые слова: диатомит, золь кремниевой кислоты, метод сканирующей зондовой микроскопии, прочность, шероховатость, теплота смачивания.
Список литературы
1. Логанина В.И., Давыдова О.А. Известковые отделочные составы на основе золь-гель-технологии // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 50—52.
2. Арутюнов П.А., Толстихина А.Л., Демидов В.И. Система параметров для анализа шероховатости поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии // Законодательная и прикладная метрология. 1999. Т. 65. № 8. С. 27-37.
3. Олемской А.И., Флат А.Я. Использование концепции фрактала в физике конденсированной среды // Успехи физических наук. 1993. Т. 163. № 12. С. 1-50.
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2011
65
